1.引言
淬硬鋼是一類較難加工的材料，硬度高達50～65HRC，主要包括普通淬火鋼、淬火態(tài)模具鋼、軸承鋼、軋輥鋼及高速鋼等。由于其典型的耐磨結(jié)構(gòu)，淬硬鋼被廣泛用于制造各種要求高硬度和高耐磨性的基礎(chǔ)零部件。隨著超硬刀具材料——陶瓷和PCBN性能的提高和價格的調(diào)整，解決了淬硬零件傳統(tǒng)制造工藝與快速發(fā)展的市場需求之間的矛盾，使得更經(jīng)濟地切削加工淬硬鋼成為可能。
硬態(tài)切削是指采用超硬刀具對硬度大于50HRC的淬硬鋼進行精密切削的加工工藝。與磨削相比，硬態(tài)切削具有良好的加工柔性、經(jīng)濟性和環(huán)保性能，在精磨工序中采用硬態(tài)切削是加工淬硬鋼的最佳選擇。然而，目前硬態(tài)切削加工技術(shù)仍然未完全被企業(yè)所廣泛采用，其主要原因不僅由于企業(yè)對硬態(tài)切削加工機理及刀具的使用技術(shù)未完全理解和掌握，同時也因為硬態(tài)切削工藝中一些不穩(wěn)定的因素制約了它的推廣應用。本文通過綜合國內(nèi)外大量文獻，對硬態(tài)切削過程中切削力的特征、切屑的形成機理、硬態(tài)切削力與金屬軟化效應的作用、冷卻潤滑技術(shù)和已加工表面質(zhì)量等進行了討論，以期促進硬態(tài)切削工藝的推廣應用。
2.硬態(tài)切削力特征
影響硬態(tài)切削力的因素主要包括切削速度、進給量、切削深度、后刀面磨損量和工件硬度等。國內(nèi)外學者的研究表明，在不同精度等級的機床上實施硬態(tài)切削時，切削力并不發(fā)生變化。
巴西AbraoMendes博士分別選用陶瓷刀具、低CBN含量和高CBN含量的PCBN刀具切削AISI52100軸承鋼(硬度62HRC)時發(fā)現(xiàn)：徑向切削力最大，其次是主切削力和軸向切削力；粗加工時切削力約為精加工時的6～9倍；切削力與進給量、切削深度和后刀面磨損量成近似線性關(guān)系；當切削速度增大時，切削力稍有下降。德國阿亨工業(yè)大學w．Konig教授通過用陶瓷刀具和PCBN刀具切削100Cr6淬硬軸承鋼的切削力對比實驗，研究了切削速度、切削深度和進給量對切削力的影響趨勢。研究表明：主切削力和軸向力的變化與切深呈線性增長趨勢，而徑向力增長緩慢；不同的進給量對切削力的變化影響趨勢一致，軸向力的增長速率稍低于主切削力和徑向力，而當進給量很小時，會出現(xiàn)徑向力大于主切削力的現(xiàn)象。日本中山一雄教授認為，提高切削速度使切削力有所下降的主要原因是切削溫度升高使工件塑性增強(即金屬的硬度因切削溫度的作用而降低)。不過這種性質(zhì)的變化僅限于一定的切削速度范圍，當切削速度超過20Om/min時，切削力并不沿下降通道變化。這與W.Konig教授的研究結(jié)果一致。中山一雄教授認為，盡管淬硬材料的硬度較高，但切削力較小，其原因一是由于斷裂的產(chǎn)生使塑性變形十分小，二是因為刀一屑接觸面積小，使摩擦力減小。哈爾濱理工大學劉獻禮教授采用正交試驗對切削力的各影響因素進行設(shè)計，得出了切削速度、切削深度、進給量和工件硬度對應切削力的三維曲面，在試驗條件下得出了主切削力變化規(guī)律基本符合傳統(tǒng)金屬切削理論的結(jié)論。
英國伯明翰大學E.G.Ng博士對PCBN刀具切削AISIHI3淬硬鋼時的切削溫度和切削力進行了有限元仿真求解，其最大誤差達25％，精度分散性大。同時有限元計算量也很大。張弘弢教授運用擠壓和軋制理論，根據(jù)能量原理對倒棱刀具的切削機理進行了深入闡述，提出了倒棱刀具的三區(qū)模型(第一變形區(qū)、金屬死區(qū)、第二變形區(qū))，并能對剪切角和切削力進行預報和仿真；根據(jù)金相分析和快速落刀裝置，發(fā)現(xiàn)金屬死區(qū)的存在并不依賴于切削速度、前角和倒棱角度；在同樣的切削條件下，倒棱刀具的剪切角小于單尖刀具剪切角約2°～3°。臺灣學者K.Fuh利用最小能量原理修正了臼井英治的切削模型，依據(jù)切削面積和考慮后刀面作用力，對切削力進行仿真，其綜合精度較高。由于引入的經(jīng)驗系數(shù)較多，對于不同的刀具和工件材料這些系數(shù)往往是變化的，因此其實用性受到一定限制。
3．硬態(tài)切削的切屑形態(tài)
金屬切削過程研究的重點和核心是切屑的形成過程。硬態(tài)切削過程一般產(chǎn)生鋸齒形切屑。K.F.Koch博士和P.Fallbochmer博士認為，硬態(tài)切削的切屑形態(tài)受切屑厚度的影響最大，當切屑厚度小于20μm時易產(chǎn)生帶狀切屑，否則生成鋸齒形切屑。形成鋸齒形切屑的原因主要是刀具前刀面附近的工件材料受到擠壓而堆積在前刀面上，刀具繼續(xù)向前切削致使切屑材料發(fā)生突然斷裂。
關(guān)于鋸齒形切屑形成機理有很多著名的論斷。1964年Recht提出了切削加工時突變剪切失穩(wěn)的經(jīng)典模型，當名義應力一真實應變曲線斜率為零時，即溫度變化的局部速率對強度的負面影響等于或大于強度所產(chǎn)生的應變硬化的正面影響時，材料內(nèi)部的塑性變形區(qū)便產(chǎn)生突變剪斷。美國俄克拉荷馬州立大學的HouZhen-Bin和RangaKoⅡ1and提出了鋸齒形切屑形成過程中的熱力學模型，他們的實驗表明，切削速度和進給量在剪切發(fā)生失穩(wěn)中起著重要作用。Samiatin和Rab發(fā)現(xiàn)當正常的流動軟化率對應變速率敏感值之比等于或大于5時，金屬切削過程的非均勻流動立刻發(fā)生。熱塑過程的不穩(wěn)定性(應變硬化與熱軟化)導致剪斷區(qū)產(chǎn)生，即使沒有熱軟化效應，其它機理也可使剪切帶抗剪強度明顯減小。例如當剪切帶產(chǎn)生微裂紋時，使承受應力的實際面積減小，Walker和Shaw認為這是機加工中切屑斷裂的一種可能機理。最近shaw和Vyas對較低切速下加工AISI4340鋼和低速加工鈦合金產(chǎn)生節(jié)狀切屑的研究更清楚地證實了上述概念。由于此時的切削速度很低，剪切面產(chǎn)生的熱可向任意側(cè)面擴散，熱軟化相當困難，因此可解釋為由于微裂紋的存在使實際剪斷強度降低。剪斷失穩(wěn)的其它機理包括材料組織轉(zhuǎn)變，如在某些鋼中馬氏體向奧氏體的逆轉(zhuǎn)變。中山一雄對淬硬鋼硬態(tài)車削時鋸齒形切屑形成機理的觀點是：切屑形成起源于自由表面上剪應變值最大處．鄰近自由表面的變形假設(shè)為純剪切作用的結(jié)果，剪切斷裂與自由表面夾角為45°。sih用解析法獲得“應變能密度”因子S，并在平面應變條件下模擬了鋸齒形切屑的生成機理，提出硬態(tài)切削淬硬鋼時鋸齒形切屑形成的新模型，給出了負載角φ與斷裂角θ0之間的關(guān)系式。
大連理工大學王敏杰、胡榮生教授的研究表明，鋸齒形切屑主要是因為高速切削產(chǎn)生的熱塑剪切失穩(wěn)所致。熱塑剪切失穩(wěn)是廣泛存在于許多動態(tài)塑性變形過程中的一種材料破壞現(xiàn)象，其先決條件是變形材料的局部溫升引起的熱軟化效應足以抵消材料的變形強化效應。金屬切削過程中的熱塑剪切失穩(wěn)是指發(fā)生在第一變形區(qū)的強烈局部剪切集中，其結(jié)果導致不對稱的鋸齒形切屑，它與普通金屬材料在低速下形成的擠裂切屑不同，特征是切屑的各鋸齒之間以變形很大的熱塑剪切帶相隔。采用金屬陶瓷刀片SNMG120412N—UG(牌號ZKOI)切削GCrl5軸承鋼的試驗結(jié)果表明：當切削深度為0.5～4mm、進給量0.07～0.43mm／r、切削速度≥130～160m/min時，開始產(chǎn)生熱塑剪切失穩(wěn)。
4.硬態(tài)切削的已加工表面完整性
切削加工過程中切削熱的產(chǎn)生和傳導、高速摩擦和磨損等因素都會對已加工表面造成一定程度的破壞。用硬態(tài)切削取代磨削加工的關(guān)鍵是如何獲得理想的加工表面粗糙度、形狀精度和加工表面狀態(tài)，而提高硬態(tài)切削的加工精度和硬態(tài)切削工件的性能是一個需要長期深人研究的課題。硬態(tài)切削已加工表面的完整性主要包括以下內(nèi)容：表層組織形態(tài)及其硬度、表面粗糙度、尺寸精度、殘余應力的分布和白層的產(chǎn)生。
美國普渡大學C.R.Liu教授早在1976年便發(fā)表了切屑形成過程對已加工表面亞表層力學狀態(tài)的論文，主要分析了尖刃刀具和磨損刀具對殘余應力的影響。最近C.R.Liu還通過實驗論證了超精密硬態(tài)切削淬硬軸承鋼的可行性和切削條件．并在超精密硬態(tài)切削加工表面的殘余應力模型、模擬和優(yōu)化研究方面做了大量工作。德國PLeskovar的研究工作表明：已加工表面微觀硬度受進給量和后刀面磨損量的影響較大，進給量越小，磨損量越大，表面硬度越高。劉獻禮教授的正交硬態(tài)切削試驗結(jié)果表明：切削速度、進給量和切削深度對表面硬度的影響都具有單一變化規(guī)律。即已加工表面硬度隨切削速度的提高而增加。隨進給量和切深的增大而降低．而且已加工表面硬度越高，硬化層深度越大。通過對試件的基體組織和表層組織的掃描電鏡照片進行對比分析，認為硬態(tài)切削過程中已加工表面硬度雖有所提高，產(chǎn)生一定的硬化深度，但對表面表層的金相組織并無破壞。
伯明翰大學D.K.Aspinwsll教授在高剛性數(shù)控車床上采用陶瓷和PCBN刀具切削淬硬AISIE521O0軸承鋼時發(fā)現(xiàn)：工件表層和亞表層的組織狀態(tài)發(fā)生變化，其微觀組織由白色的未回火層和黑色的過回火層組成。實驗結(jié)果顯示硬態(tài)切削后工件表面均為殘余壓應力，而磨削后工件的最大壓應力主要集中在工件表面。
殘余應力與材料的成分、組織和缺陷一樣．對工件的機械性能有很大影響，多數(shù)情況下必須控制殘余應力的大小及其分布規(guī)律。硬態(tài)切削過程中殘余應力的產(chǎn)生被認為與切削熱的形成及熱源的移動速度、切削刃的幾何形狀、工件材料以及刀具磨損等關(guān)系密切。國外不少學者試圖通過仿真切削熱的生成與移動來計算殘余應力，但切削熱形成的復雜性和殘余應力測量誤差等原因?qū)е路抡嬲`差較大。最近，加拿大KurtJacobus運用平面應變粘彈塑性理論、美國普渡大學S.Mittal運用多項式擬合原理預測切削參數(shù)對殘余應力分布的影響，其不足之處是都需要進行大量的標定實驗來估計系數(shù)。J.D.Thiele等研究了精密硬態(tài)切削過程中切削刃幾何形狀和工件硬度對工件表面殘余應力的影響，實驗中分別選用尖刃、倒棱、鈍圓三種刃部的PCBN刀具，測試結(jié)果顯示：刀具鈍圓半徑越大，殘余壓應力值越大；工件硬度越高，殘余壓應力值越大。Y.Matsumoto和D.W.Wu也認為工件硬度對工件表面完整性的影響極大，工件硬度值越大，越有利于殘余壓應力的形成。Y.Matsumoto還認為，刀具幾何形狀也影響殘余應力的形成，雙倒棱和大鈍圓刀具所形成的殘余壓應力遠遠優(yōu)于單一倒棱和尖刃刀具，但切削參數(shù)(切深和進給量)對殘余應力沒有顯著影響。
影響硬態(tài)切削已加工表面質(zhì)量的另一個重要因素是白層的形成。白層是伴隨著硬態(tài)切削過程所形成的一種組織形態(tài)，它具有獨特的磨損特性：一方面硬度高，耐蝕性好；另一方面又表現(xiàn)出較高脆性，易引起早期剝落失效。白層尺寸較薄，難于準確分析其組織特征，它的形成機理至今仍有爭議。一種觀點認為白層是相變的結(jié)果，是由材料在切削過程中被快速加熱和驟然冷卻而形成的晶粒細小的細晶馬氏體組成。另一種觀點認為白層的形成僅屬于變形機制，只是由塑性變形而得到的非常規(guī)型馬氏體。目前將白層視為馬氏體組織的觀點得到一致認可，主要爭議在于白層的精細結(jié)構(gòu)。Y.K.Chou和c.J.Evans認為硬態(tài)切削過程中白層的形成與切削熱有關(guān)，后刀面磨損量的增加將導致白層深度加大，在VB達到0.31mm時白層深度高達lOμm。B．J．Griffiths認為切削過程中產(chǎn)生自層現(xiàn)象的原因是高速滑動磨損，白層的組織形態(tài)是超細晶粒結(jié)構(gòu)的奧氏體和馬氏體的混合組織，并與刀具磨損密切相關(guān)。因此，需要進一步深八研究白層的形成機理及其對零件壽命的影響。
5.硬態(tài)切削技術(shù)的發(fā)展趨勢
目前硬態(tài)切削加工技術(shù)已引起世界范圍內(nèi)制造業(yè)界和科研機構(gòu)的高度重視和極大興趣，但推廣應用硬態(tài)切削加工技術(shù)仍存在一定障礙，主要問題有：如何使已加工表面保持穩(wěn)定的表面粗糙度和尺寸精度；已加工表面質(zhì)量能否滿足零件的工況需要并具有一定的壽命；如何進行硬態(tài)切削加工刀具的選擇、使用、成本控制等。因此，未來硬態(tài)切削加工機理及其技術(shù)的研究重點是：控制切削過程中切削力的大小并保持其穩(wěn)定性；消除和減小切削熱對工件尺寸精度的作用；硬態(tài)切削過程中冷卻潤滑技術(shù)的合理化；已加工表面硬度的梯度、殘余應力的分布、表層組織形態(tài)和白層形成機理的研究。
