硬态切削技术的研究.docx

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硬态切削技术的研究

摘要

硬态切削工艺由于具有良好的加工环保性和加工柔韧性，该工艺已经逐步取代磨削工艺成为模具钢的精加工工艺，它是具有广泛应用前景的先进加工技术。

但硬态切削加工工艺中诸如刀具磨损、切削过程热流特性和已加工表面完整性等方面的理论与技术还存在诸多没有彻底揭示之处。

所以应该在上述方面展开深入研究，以便促进此新兴工艺在实际加工中的应用。

为揭示硬态切削过程已加工表面淬火效应，本文研究了不同升温速率下工件材料的相变点在切削状态下相变图谱位移情况；结合数值方法得到了不同刀具磨损情况下工件温度场分布情况，对已加工表面的变质层厚度进行了预测，并利用实验手段得到了已加工表面变质层受刀具磨损和切削速度的影响规律，同时也分析了淬火效应对已加工表面硬度的影响。

关键词：

硬态切削、淬火、已加工表面

Abstract

Hardcuttingprocessingtechnologyhasgraduallybecomeahighstrengthsteelfinishingprocessandhasreplacedthegrindingprocessincertainoccasionsaswell,foritsgoodprocessingenvironmentalprotection,flexibleandprecision.Thus,thistechnologyisanadvancedprocessingtechnologywithwideapplicationprospects.Butmanyspecialcuttinglawofthehardcuttingprocessingtechnologystillneedtoexplore,especiallycuttingtoolwearincutting,surfacequenchingeffect,processingsurfaceintegrityandotheraspectsofthetheoryandtechnologyneedasystemicresearch,whichcouldfurtherpromotetheadvancedtechnology.

InordertorevealthediesteelCr12MoValreadyprocessingsurfacequenchingeffectmechanism,thispaperstudiedtheworkpiecematerialphasetransitionpointindifferentheatingrateandthephasediagramofdisplacementindifferentcuttingstate;Combiningwithnumericalmethodtogettheworkpiecetemperaturefielddistributioninthedifferenttoolwearcondition,andpredicatingthethicknessofalreadyprocessingsurfacemetamorphiclayer,beside,byusingexperimentalmethodtogettheinfluencemechanismofthetoolwearandcuttingspeedtofinishedsurfacemetamorphiclayer.Atthesametime,thepaperalsoevaluatedhowquenchingeffectinfluencetheprocessingsurfacehardness.

Keywords:

Hardcutting;Quenaching;Alreadyprocessingsurface;

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论4

1.1硬态切削的研究目的和意义4

1.2硬态切削4

1.3高强度钢硬态切削的特征及优势4

1.4已加按工表面变质层5

1.5硬态切削技术的发展趋势6

第2章硬态切削已加工表面变质层的产生的因素分析7

2.1变质层的研究现状7

2.2变质层的形态7

2.2.1变质层的形成条件8

2.3变质层的形成机制8

2.3.1硬态切削过程中被加工表面的变质层11

2.3.2变质层体积的变化12

2.3.3变质层的晶粒细化13

第3章影响变质层产生的因素分析14

3.1影响变质层形成的主要因素14

第4章变质层产生的临界条件判定17

4.1变质层产生临界条件的判定17

4.2急剧温升条件下Cr12MoV相变点变化的研究17

第5章硬态切削过程温度场分布20

第6章已加工表面变质层的生成机制22

6.1切削速度对变质层生成的影响22

6.2后刀面磨损对表面变质层产生的影响24

第7章模具钢已加工表面淬硬机制26

7.1加工硬化的评价方法26

7.26.2高强度钢加工硬化试验26

参考文献28

摘要I

AbstractII

第1章绪论4

1.1硬态切削的研究目的和意义4

1.2硬态切削4

1.3高强度钢硬态切削的特征及优势4

1.4已加按工表面变质层5

1.5硬态切削技术的发展趋势6

第2章硬态切削已加工表面变质层的产生的因素分析7

2.1变质层的研究现状7

2.2变质层的形态7

2.2.1变质层的形成条件8

2.3变质层的形成机制8

2.3.1变质层的元素分析12

（4）13

2.3.2变质层体积的变化13

2.3.3变质层的晶粒细化14

第3章工件材料温度变化历程的研究15

第4章变质层产生的临界条件判定16

4.1变质层产生临界条件的判定16

4.2急剧温升条件下Cr12MoV相变点变化的研究16

显然，工件材料在切削过程的相变机制与常规的热处理相变机制有明显的不同，其主要的区别是温升速率及剧烈机械作用。

上述两方面的因素使得工件材料转变温度Ac1和Acm发生明显改变，如图5-9所示。

一般情况下，机械作用会促进切削过程相变的产生，即降低了工件材料的相变临界温度。

而较高的温升速度会提高组织相变点温度，尤其是在纯钢中此现象更为明显。

但是碳钢中的合金元素会降低相变温度，可见Acm和Ac16

1受到多重因素的共同作用。

由于系统研究机械作用和合金元素对相变点变化较为困难，本文首先研究了温升速率的影响，并得到初步结论。

16

17

（9）17

本研究采用德国Baehr-Thermo公司生产的型号为DIL805A的快速相变仪来研究升温速度对工件相变温度的影响。

试件材料直径为4mm，长度为10mm，为了保证较好的整体升温性能，试件中间特制造出中间有直径为2mm的通孔，并且严格保证两端面的平行度。

为了深入探究温升速率的影响，本实验设置温升极限值为1000℃，温升时间分别为15min、3min、1min、10s、1s、0.03s。

其中温升时间10s对应的其变化曲线如图（10）所示。

其中蓝线为马氏体膨胀曲线，其中曲线拐点为发生相变点的温度，从结果显示Ac1由平衡状态下的727℃升高到了829.8℃，Acm对应的温度为891.8℃。

图（10）为不同温升时间下的相变点变化情况，实验结果显示随着温升时间的缩短，转变点Ac1逐渐变高，且切削状态下温升时间Ac1升高到为921℃。

相变点的确定为变质层的预测奠定了判定依据。

17

第5章硬态切削过程温度场分布19

第6章已加工表面变质层的生成机制21

6.1切削速度对变质层生成的影响21

6.2后刀面磨损对表面变质层产生的影响23

第7章模具钢已加工表面淬硬机制25

7.1加工硬化的评价方法25

7.26.2高强度钢加工硬化试验25

参考文献27

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第1章绪论

1.1硬态切削的研究目的和意义

硬态切削是当今最富生气的切削技术之一。

硬态切削具有很好的加工柔性、经济性和环保性能，在精加工过程中采用硬态切削是加工淬硬钢的最佳选择。

硬态切削的已加工表面的变质层是伴随着硬态切削过程所形成的一种组织形态，硬度比基体更高，能够抵抗一般的腐蚀，尺寸较薄，难于准确分析其组织特征。

它具有独特的磨损特性：

一方面硬度高，耐蚀性好；另一方面又表现出较高的脆性，易引起早期剥落失效。

淬硬钢是典型的耐磨和难加工材料，这类工件经淬火或低温去应力退火后硬度高达HRC50-60，广泛应用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件，如轴承和齿轮等，淬硬零件的精加工工艺通常采用粗磨和精磨，但磨削工序加工效率低，砂轮即磨削液消耗量大、成本高、粉尘和废液污染程度严重，硬态切削是指把淬硬钢的切削加工作为半精加工或精加工的工艺方法，过去淬硬钢零件的精加工一直是采用磨削完成，由于一些超硬刀具的发展，解决了传统淬硬零件制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾，使得更经济的切削加工淬硬钢成为可能。

1.2硬态切削

淬硬钢是一类较难加工的材料，硬度高达50-60HRC，主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、及高速钢等。

由于其典型的耐磨结构，淬硬钢被广泛应用于制造各种要求高硬度和高耐磨型的基础零部件。

随着超硬刀具材料-陶瓷和PCBN性能的提高和价格的调整，解决了淬硬零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾，使得更经济的切削加工淬硬钢成为可能。

然而，目前硬态切削加工技术仍然未完全被企业所广泛采用，其主要原因不仅由于企业对硬态切削加工机理及刀具的使用技术未完全被企业所广泛采用，其主要原因不仅由于企业对硬态切削加工机理及道具的实用技术未完全理解和掌握，同时也因为硬态切削工艺中一些不稳定的因素制约了它的广泛应用。

1.3高强度钢硬态切削的特征及优势

高强度钢切削过程有若干区别于常规切削过程的特征：

（1）切削力显著变大，由于高强度钢属于高硬度的难加工材料，因而该种类的刚才在切削过程产生的切削力变化特性明显区别于传统切削工艺。

（2）由于切削形状变形不均匀，在一定速度条件下，淬硬钢切削时易产生锯齿形切屑，锯齿形切屑的产生会造成切削力的高频振动，其中共建硬度和切削速度是影响切削形态的主要因素。

（3）由于材料导热系数小，工件散热速度慢，切削温度高，最高可超过900℃，刀具磨损严重，而工件回火后呈弥散分布的细小碳化物加剧了刀具的磨损，并使得切削过程中已加工表面质量发生物理属性的变化。

为了良好应用硬态切削过程，深入揭示其切削机理几加工过程优势。

（1）硬态切削超硬刀具的应用硬态切削过程宜选用硬度较高、导热率良好，化学稳定较低，并且切削性能保持性较好的超硬刀具，如PCBN刀具和CBN刀具。

（2）加工效率高为了充分发挥超硬刀具的特性，硬态车削一般采用较高的切削速度和较大切削参数，这一点有磨削工艺无法比拟的优势。

其原因是若磨削工艺采用较大的切削用量容易产生工件表面的烧伤，并且抗力较大还会使得工件产生较大的变形。

一般情况下，硬态车削的金属去除率可数倍于磨削工艺，但是所消耗的能量仅为磨削的几分之一，一次装夹硬态车削工艺可完成多表面诸如外圆、内孔、台阶以及沟槽