硬态车削淬硬钢切屑形成机理及表面完整性研究

硬态切削技术淬硬钢是一类较难加工的材料，硬度通常高达50-65HRC，主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等。

由于其典型的耐磨特点，淬硬钢被广泛用于制造各种要求高硬度和高耐磨性的基础零部件。

随着陶瓷刀具，特别是超硬刀具CBN性能的不断提高和稳定，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，使得更经济地切削加工淬硬钢成为可能。

硬态切削是指采用陶瓷或超硬CBN刀具对硬度大于50HRC的淬硬钢进行精密切削的加工工艺。

与磨削相比，硬态切削具有良好的加工柔性、经济性和环保性能。

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推广和应用。

（1)硬态切削的优点与磨削加工相比，硬态切削有如下优点：①加工效率高、经济效益好。

首先，去除相同体积的金属时，硬态切削常常可以采用较大的切削深度和较高的主轴转速；而磨削则只能采用小切深，否则容易引起磨削烧伤，或因径向分力大而引起变形。

因此，硬态切削的金属去除率为磨削的3-4倍，能耗仅为磨削的115.另外，在硬态车削时，一次装夹可完成多表面的加工（如外圆、内孔、端面、台阶、沟槽等），而磨削则不易实现。

硬态切削经济效益好还体现在设备投入上，在加工效率相同的情况下，车床投资仅为磨床的1/3-1/2，且占地面积小，辅助系统费用低。

②清洁的加工工艺。

硬态切削所用的刀具，基本可不使用切削液，节省了相关的切削液供给装置和处理装置，大大节省了投资费用。

另外，一般切削液中大多含有毒和有害物质，会对环境造成污染，也危害操作者的健康。

③良好的整体加工质量。

以硬态车削为例，工件安装次数的减少，可使工件各几何要素获得较高的位置精度，工件表面也不会引起烧伤或微裂纹。

目前硬态车削的加工精度可达175级，表面粗糙度Ra为0.8 ^-0.2pm。

高硬金属加工过程中表面白层的研究1 引言刀具材料的发展、机床及其零部件的改进，使得硬态切削成为可能，并且可达到磨削加工的精度与表面质量，为某些淬硬零件的加工开辟了精加工的新途径。

硬态切削的明显优点是切削时柔性较高，用一定几何参数的刀具可加工不同形状的零件；不用切削液，利于环境保护；加工时间短，投资费用少。

在某些领域，硬态切削已经被证实是一种经济、有效的代替磨削的加工方法。

在硬态切削过程中，材料已加工表面通常会产生硬度更高的白色非侵蚀薄层，被称为白层。

白层是影响工件性能和表面完整性的重要因素。

对白层进行深入系统的研究，对提高硬态切削质量有着非常重要的意义。

2 摩擦学白层研究现状“白层”的概念最早始于1912年，它不仅是两接触表面摩擦的结果，也可在一些大变形条件下，甚至是电火花切割及激光表面处理等冷急条件下产生。

因它能抵抗一般的腐蚀，在光学显微镜下（或普通电子显微镜）呈现白色，所以被称为白层，通常具有比原始材料高的硬度。

因对材料的摩擦磨损性能有重要的影响，又被冠以摩擦学白层、白色浸蚀层、绝热剪切带、再结晶层和摩擦学转变结构等不同的名称。

目前对白层的研究较多，但都未取得突破，尚无明确的研究成果。

对白层的研究多集中在摩擦学领域，其分歧与争议主要集中在白层的组织结构、形成机制和对磨损过程的影响等方面。

2.1 白层的特征白层是一种形成条件极宽、表现形式各异的磨损表面组织。

不同的材料，出现于不同的磨损形式、摩擦条件和摩擦副中。

对金属而言，白层的一般特征为：(1)非浸蚀性：铁基材料的白层通常在常规的浸蚀剂下不易被浸蚀，在光学显微镜下呈白色，这也是它被称为白层的原因；有色金属材料（如铝、钛合金等）在常规浸蚀剂下有时呈暗色，故也称为“暗层”。

(2)高硬度：高硬度是白层最显著的一个特征，通常为HV800～1200，远高于基体材料（甚至是基体硬度的数倍）。

一些白层的次表层软化现象可能是由摩擦热造成的过回火所致。

表1为影响钢表面白层硬度的因素。

PCBN刀具切削中锯齿形切屑形态的动态切削力识别徐铭;文东辉;戴勇;王文【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2005(000)006【摘要】精密硬态切削过程锯齿形切屑对动态切削力、切削温度波动、PCBN刀具寿命和已加工表面质量有重要作用.本文依据锯齿形切屑锯齿的形成和终了过程可以在动态切削力高频信号中体现出来的特征,采用小波分析硬态切削力的高频信号,分析结果表明不同形态的锯齿形切屑形态对应不同的切削力高频信号.从切削力高频信号的切削速度、进给量、采样频率和时间可以定性描述锯齿形切屑形态和剪切失稳的特征参数,依据Shaw建立的锯齿形生成频率模型.在精密硬态切削条件下,锯齿形切屑的生成频率要远小于切削力高频信号的频率,高速切削条件下两者频率逐渐趋于相等.实验及分析结果表明可以采用动态切削力的小波分析来判别锯齿形切屑的基本特征.【总页数】4页(P62-65)【作者】徐铭;文东辉;戴勇;王文【作者单位】浙江大学机械与能源工程学院,杭州,310027;浙江工业大学机电工程学院精密工程研究室,杭州,310014;浙江工业大学机电工程学院精密工程研究室,杭州,310014;浙江大学机械与能源工程学院,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】TG711【相关文献】1.PCBN刀具切削高温合金切削力试验分析 [J], 吴明阳;田兆晖;于永新;郝鹏飞;程耀楠2.PCBN刀具断续干式切削ADI时切削力与寿命的研究 [J], 李玉标;李嫚;张弘弢 ;任帅民3.PCBN刀具断续干式切削淬硬钢Cr12MoV切削力研究 [J], 王宝宝;沈浩;魏文静4.PCBN刀具高速切削镍基高温合金切削力及刀具磨损试验研究 [J], 吴明阳;陈勇;赵旭;徐明;程耀楠5.PCBN刀具高速切削钛合金切削力和表面质量的研究 [J], 李甜甜;姜丽娜;吴冉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

浅谈EDU、SCM、DCT齿轮硬车加工随着科学技术的不断发展和进步，硬车技术在各个领域得到了广泛的应用特别是在汽车制造业中，在德国等发达国家的汽车工业中，多种轴类、套类零件大多采用硬车工艺，收到良好效果。

因该项技术要求机床、刀具、工装及工艺应有最佳组合，且对硬车效果的宣传推广不够等原因，我国硬态车削工艺的应用还不够广泛。

目前，只有少数企业在CNC车床上对淬硬轴承环、齿轮内孔与端面以及量刃具等零件进行加工，并也达到了磨削效果，提高了加工效率。

一、什么是硬车削？车削加工是机械制造业中最基本、最广泛、最重要的一种工艺方法，它直接影响生产的效率、成本、能源消耗和环境保护。

由于现代科学技术的发展，各种高强度、高硬度的工程材料越来越多地被采用，传统的车削技术难以胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而现代的硬车削技术使之成为可能，并在生产中取得明显效益。

硬车削是指把淬硬钢的车削作为最终加工或精加工的工艺方法，以避免目前普遍采用的磨削技术。

淬硬钢通常指淬火后具有马氏体组织，硬度高，强度也高，几乎没有塑性的工件材料。

当淬硬钢的硬度 >55HRC时，其强度约为2100～2600N/mm2。

通常，工件在热处理淬硬之前就已完成粗加工工序，只有精加工在淬硬状态下进行。

精磨是精加工最常用的加工工艺，但其加工范围窄、投资大、生产效率低，易造成环境污染，一直困扰着淬硬钢的经济有效加工。

随着加工技术的发展．硬车削代替磨削已成为可能，并在生产中取得明显效益。

目前采用多晶立方氮化硼 (PCBN)刀具、陶瓷刀具或涂层硬质合金刀具等在车床或车削加工中心上对淬硬钢(55～65HRC)进行切削加工。

二、硬车削的经济性汽车制造业的大多数零件是在热处理后进行最终精度或形状的加工，硬车削正作为替代磨削的一种经济性方法在普及。

目前，国外越来越多的企业已认识硬车削的优点，而国内还是以磨削的方法为主，主要是由于刀具（如PCBN）的成本问题，使很多企业仍把它看作为一种昂贵的工艺。

超硬刀具磨损问题的研究进展郭彩芬;董志【摘要】针对超硬刀具常见的磨料磨损、扩散/溶解磨损、摩擦化学磨削、黏结磨损等磨损机制及形成机理,归纳出亟待解决的主要问题,为实现超硬刀具更优的加工工艺(优化的加工参数和刀具几何形状)和更广泛的应用提供参考.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】4页(P141-144)【关键词】超硬刀具;刀具磨损;磨损机制【作者】郭彩芬;董志【作者单位】苏州市职业大学机电工程学院,江苏苏州 215104;苏州市职业大学机电工程学院,江苏苏州 215104【正文语种】中文【中图分类】TG7110 引言金刚石（PCD，Polycrystalline Diamond）、立方氮化硼/聚晶立方碳化硼（CBN/PCBN，cubic boron nitride/polycrystalline cubic boron nitride）都属于超硬刀具材料，由于具有高热导率、高硬度（可达 8000 HV以上）、高耐磨性、高热稳定性（金刚石可达 700～800℃，立方氮化硼可达1250～1350℃）等优点，超硬刀具在高速切削及硬切削领域日益受到关注。

但超硬刀具加工时切削区会产生较高的切削温度（高达1250℃以上），且常常是以高速铣削代替磨削，加工过程中间歇的较大的冲击力使得刀-屑接触区呈现较高的应力状态。

这种反复变化的机械应力-应变及热应力-热应变，会引起超硬刀具的机械疲劳&热疲劳，刀具易损坏，刀具寿命短。

1 研究现状加工过程中，超硬刀具呈现出的磨损形式包括月牙洼磨损、后刀面磨损、切削刃崩刃、热冲击裂纹、刀尖磨损、切削刃剥落、刀具破坏及积屑瘤生成等。

以往的研究和实验表明超硬刀具的磨损有多种机制，如磨料磨损、黏结磨损、摩擦化学磨损、微裂纹和疲劳磨损等[1]。

切削性能取决于刀具几何形状、刀具材料、切削参数和工件材料，PCBN刀具的切削性能受限于刀具的后刀面磨损、月牙洼磨损、切削刃剥落或几种磨损形式的综合。

硬态切削技术的研究状况综述发表时间：2019-07-31T11:53:31.183Z 来源：《科学与技术》2019年第05期作者：张新王萌李智薛迪[导读] 根据硬态切削技术的有关研究现状，介绍了需要应用硬态加工技术的加工材料，硬态切削的力的特征以及切屑形态。

佳木斯大学 154007摘要：本文根据硬态切削技术的有关研究现状，介绍了需要应用硬态加工技术的加工材料，硬态切削的力的特征以及切屑形态，并讨论了其已加工表面的完整性，最后综合现有的相关技术与未来应用前景，展望了该技术的发展趋势。

关键词：硬态切削；切削力；切屑；加工表面Abstract: According to the current research status of hard cutting technology, this paper introduces the processing materials, force characteristics and chip morphology of hard cutting technology, and discusses the integrity of the machined surface. Finally, the development trend of this technology is prospected by synthesizing the existing related technologies and future application prospects.Key words: hard cutting; Cutting force; Chip; Machined surface硬切削是使用超硬刀具精密切削硬度超过50 HR的硬化钢的过程。

与磨削相比，硬切削具有良好的加工灵活性，经济性和环境保护性。

硬切削是精加工时加工硬化钢的最佳选择。

但是目前硬切削技术还没有被企业广泛使用。

自动化与控制６９基于ＤＤＦＯＲＭ一３Ｄ的高速车削有限元模拟赵雷ｔ邓远超，王军ｚ陈友平１（１．西华大学机械ｊ二程及其自动化学院，成都６１００３９；２．淄博市计量测试所，淄博２５５０３３）摘要：基于有限元分析软件ＤＥＦＯＲＭ一３Ｄ建立高速切削的切削力预报模型，并对车削力和工件、刀具及切屑的温度分布进行模拟。

该模拟结果对实际工作有现实的作用。

关键词：有限元高速切削切削力切削加工是机械制造行业中应用最广泛的金属成形］二艺，而目前由于高速主轴技术、直线电机技术、高速控制技术以及刀具技术的发展和进步，以加工的高速化实现加工的高品质、高效率已成为切削加工技术发展的重要特征。

而车削加工是各种切削方法的基础，因此本文就以高速车削加工进行具体分析。

对加工过程中，被加工金属材料的表面温度、切削力进行分析，为选择正确的刀具角度、刀具材料、切削用量和制定合适的加工工艺提供主要依据。

ＤＥＦＯＲＭ一３Ｄ是由美国的ＳＦＦＣ公司１９９８年推出的基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺三维软件。

设计人员和工程师通过仿真金属的变形过程，来预测变形过程中的金属流动，确定零件在变形过程中是否产生缺陷，预测设备压力和加工应力。

在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高计算效率。

Ｄｅｆｏｒｍ一３Ｄ的计算精度和结果的可靠性，被公认为国际成形过程模拟最理想的软件工具之一。

１用Ｄｅｆｏｒｍ软件分析工程实际问题（３１Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ包含前处理器（ＰｒｅＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、工具（ｔ００１）、模拟（Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）和后处理器（ＰｏｓｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）四个子模块，分别承担建模、计算与仿真和数据处理ｉ大功能。

通常Ｄｅｆｏｒｍ分析制造工程实际问题的顺序如下：（１）定义工程实际问题；收集所需的数据；（２）生成ＦＥＭ网格；生成一个ＤＥＦＯＲＭ数据库；（３）进行仿真；处理仿真结果。

ＤＥＦＯＲＭ３Ｄ—Ｖ５．０版中包含了切削分析模块Ｍａｃｈｉｎ—ｉｎｇ。

GCr18Mo 轴承套圈硬态数控车削技术的研究李征1，朱孝国2，张君伟3（1.中航工业哈尔滨轴承有限公司研发中心，黑龙江哈尔滨150036；2.中航工业哈尔滨轴承有限公司经营管理部，黑龙江哈尔滨150036；3.中航工业哈尔滨轴承有限公司航空航天轴承分厂，黑龙江哈尔滨150036）摘　要：以G Cr18M o 轴承套圈为车削对象，采用陶瓷刀具在多功能数控车床上进行了硬态车削试验研究，对硬态数控车削用陶瓷刀具几何参数的合理选用、切削参数的选择进行了实际探讨，研究了硬态数控车削对轴承套圈表面质量的影响。

关键词：硬态数控车削；陶瓷刀具；轴承套圈中图分类号：TH133.33，TG51文献标识码：B 文章编码：1672-4582（2012）01-0017-03Research on hard-state CNC tur ning techonology for GCr18Mo bearing ringLi Zheng 1,Zhu Xiaoguo 2,Zhang Junwei 3(1.Bearing R&D Center,A VIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150036,China;2.Department of management and administration,A VIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150036,China;3.Air &Space Bearing Division,A VIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150036,China)Abstract:For example,GCr18Mo bearing ring,the hard-state turning test is conducted with ceramic cutting tools in multi-function CNC lathe,a reasonable selection of the cceramic tool geometry for hard-stated CNC turning and the choice of cutting parameters are practically discussed,the effects of hard-stated CNC turning on bearing ring surface quality is investigated.Key words:hard-stated CNC turuing;ceramic cutting;bearing ring第33卷　第1期2012年3月Vo l.33No .1Mar.2012哈 尔 滨 轴 承JOU RNA L O F HA RBIN BEARIN G收稿日期：作者简介：2011-08-30.李征（1978-），男，工程师.1　前言　机械制造业是国民经济和社会发展的重要基础，是国民生产总值的主要组成部分，是国家综合实力的重要标志。

车削工艺参数对18CrNiMo7-6钢切削力及表面粗糙度的影响朱浩阳;郜伟;张银霞;刘治华【期刊名称】《工具技术》【年(卷),期】2024(58)2【摘要】为了探究车削工艺参数对18CrNiMo7-6钢标准疲劳试样不同位置的切削力和表面粗糙度的影响,采用CAK4085型数控车床对主轴转速n、背吃刀量a_(p)和进给速度v_(f)三个工艺参数进行单因素试验研究。

结果表明:对于标准试样的圆弧段和标距段,切削用量对切削力和表面粗糙度的影响规律相同;背吃刀量a_(p)对切削力影响最大,进给速度v_(f)对切削力的影响次之,主轴转速n对切削力的影响最小;拟合的三个切削力分量指数公式中,主切削力的拟合误差为5.25%,背向力的拟合误差为2.29%,相对误差较小。

结果显示,影响表面粗糙度Ra的最大因素为进给速度,Ra随v_(f)的增大而增大,圆弧切入段的表面粗糙度Ra比切出段高。

综合考虑疲劳试样较好的加工工艺参数为:n=1000r/min,v_(f)=80mm/min,a_(p)=0.3mm。

本研究结果可为疲劳试样的车削加工工艺制定提供参考依据。

【总页数】6页(P9-14)【作者】朱浩阳;郜伟;张银霞;刘治华【作者单位】郑州大学机械与动力工程学院【正文语种】中文【中图分类】TG51;TH161【相关文献】1.硬态车削淬硬钢切削参数对表面粗糙度影响分析2.硬态车削H13 钢切削力与表面粗糙度试验研究3.车削参数对A100钢表面粗糙度的影响4.车削奥氏体不锈钢时冷却参数对刀具振动和表面粗糙度的影响5.研磨工艺对18CrNiMo7-6钢表面粗糙度和残余应力的影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

优秀设计二维硬态切削过程的有限元仿真摘要本文提供了一个用聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）切削淬硬钢的有限元分析模型。

该模型基于自适应网格技术和大变形技术，从而解决了在切屑变形过程中由于网格变形过大出现的网格畸变问题。

在模拟切屑形成的过程中，使用了纯粹的变形技术来弥补了基于切屑分离准则的传统有限元模型的不足。

这种方法不仅消除了切屑分离准则和预先定义分离线的需要，同时获得了一个更加真实和合理的切屑成形过程。

本文用商业有限元软件ABAQUS/Explicit模拟不同刀具几何参数对切削力的影响，建立了直角切削时平面应变条件下刀具切削过程的仿真模型，并对不同切削几何参数（倒棱角度、切削速度）的有限元模型进行了计算分析和比较，并通过进行正交高速切削实验与仿真结果进行对比，得出了较为合理的硬态切削过程的刀具几何参数，这对实际切削过程的刀具优化设计和降低成本有着重要的指导意义。

关键词切削仿真；ABAQUS/Explicit 软件；自适应网格技术；二维直角切削目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.1.1 课题来源 (1)1.1.2 课题的研究的背景和意义 (1)1.1.3 课题的总体内容 (1)1.2 超硬刀具材料发展状况 (2)1.2.1 概述 (2)1.2.2 超硬刀具材料发展概况 (2)1.2.3 PCBN刀具的性能及应用 (3)1.3 有限元仿真技术在切削加工中应用 (6)1.4 有限元仿真技术发展状况及前景 (8)1.4.1 ABAQUS (8)1.4.2 几种有限元软件的发展和比较 (11)1.4.3 国内外有限元软件的发展与现状 (12)1.5 本章小结 (13)第2章有限元方法简介 (14)2.1 有限元法分析问题概述 (14)2.2 平面问题的有限元法 (16)2.3 ABAQUS/Explicit分析的基本原理 (16)2.3.1 切屑成形仿真 (16)2.3.2 稳定时间限定值 (17)2.3.3 接触和摩擦分析 (17)2.3.4 自适应网格技术 (18)2.4 本章小结 (20)第3章ABAQUS的仿真建模 (21)3.1 金属切削过程描述 (21)3.2 ABAQUS仿真模型的建立 (21)3.2.1 总体模型 (21)3.2.2 材料特性 (23)3.2.3 边界条件 (23)3.2.4 划分网格 (23)3.2.5 提交作业 (24)3.3 模型子程序 (24)3.4 本章小结 (30)第4章ABAQUS的仿真计算分析与结果比较 (31)4.1 倒棱角度对切削力的影响 (31)4.1.1 实验参数 (31)4.1.2 切削过程的模拟结果 (31)4.1.3 工件切削区域的应力分布 (32)4.1.4 切削力影响分析 (34)4.2 刀具进给速度对切削力的影响 (35)4.2.1 实验参数 (35)4.2.2 工件切削区域的应力分布 (35)4.2.3 切削力影响分析 (35)4.3 正交切削实验 (37)4.3.1实验条件 (37)4.3.2 正交高速硬态切削实验 (38)4.4 本章小结 (40)结论 (41)参考文献 (42)致谢 (44)附录 (45)第1章绪论1.1课题背景1.1.1课题来源本课题来源于国家自然科学基金项目“淬硬钢高速切削过程的建模与仿真”。