高速硬车20CrMnTi刀具耐用度研究

高妮萍

(陕西国防工业职业技术学院智能制造学院，陕西 西安 710300)

齿轮经过热处理后硬度一般能达到HRC58～HRC62。CBN超硬刀具以车代磨，有高硬度、高耐磨损性、高加工精度等优势，可以高速车削齿轮零件，并能够获得较好的加工质量。20CrMnTi是一种常用的齿轮加工材料，表面渗碳处理后硬度较高，有较好的淬透性和低温抗冲击性能，加工变形小，主要用于制作飞机、汽车上的传动齿轮。针对热处理后硬度为HRC58～HRC62的齿轮，如采用常规的加工方法，刀具切削难度大、磨损速度快，并且齿轮零件端面开有油孔，内孔有键槽，属于强断续加工，传统刀具一接触到工件，在大的冲击力下容易出现崩刃情况。高精度齿轮零件加工，对刀具的耐磨性和抗冲击性能要求都很严格。国内外很多学者对于20CrMnTi材料的高速切削做了大量的研究。王龙等[1]研究了20CrMnTi合金结构钢的磨削机制与规律，通过对零件表面划痕微观图样进行分析，发现磨削加工中法向力与切向力均随着划痕深度、进给速度的增大而增大，并总结了零件表面粗糙度与磨削参数之间的关系；王丽萍等[2]进行了硬态干式车削合金结构钢20CrMnTi切削力试验研究，通过测量不同切削条件下切削力的值，得出切削深度、进给量切削速度对切削力的影响规律；王银涛[3]通过实验分析了高速车削20CrMnTi合金结构钢不同时段，切削力随刀具破损的变化规律，得出高速切削过程中刀具的疲劳破损失效机理。然而以上的这些研究都缺少在高速硬车断续加工条件、切削参数对超硬刀具寿命的影响规律及刀具不同形态磨损时对齿轮制件表面粗糙度影响的研究。因此本文采用正交试验法，高速硬车20CrMnTi合金结构钢齿轮零件，研究影响刀具耐用度的具体因素。

1 淬火后20CrMnTi合金结构钢高速硬车实验

实验机床选用CJK6130卧式经济型数控车床，最大功率为3 kW，主轴转速为180～1 600 r/min。试加工材料为淬火后20CrMnTi合金结构钢，主要化学成分的质量分数见表1。加工刀具选择BN-H10刀片，如图1所示。齿轮制件如图2所示，尺寸为φ60 mm×25 mm。

表1 20CrMnTi合金结构钢主要化学成分 %

本文采用3因素3水平正交试验法进行淬火后20CrMnTi(HRC58～HRC62)合金结构钢硬车试验，选择实验所需切削要素水平值，得出刀具寿命值，见表2。

表2 正交试验及测量结果

图1 实验用硬车刀片 图2 实验齿轮制件

通过实验发现立方碳化硼刀具在加工表面硬度较高的齿轮零件时，出现伴随微崩刃的硬质点磨损、粘结磨损和氧化磨损等多种磨损形式，使刀刃和刀面连接处形成缺口，这些缺口会存储一部分工件上的硬质颗粒，加速刀具磨损，从而使其失效。实验如图3所示。

图3 硬车齿轮零件加工实验

2 实验结果与规律

2.1 齿轮检测结果分析

通过测量零件具体尺寸数值(如图4所示)，得出齿轮尺寸精度满足IT5级，齿距偏差数值较小，如图5所示。在零件上选取20个采样点，测量表面粗糙度，数值见表3，由表可知,表面粗糙度均小于Ra0.6 μm，即齿轮整体精度较高。对照齿轮加工精度等级表，可知采用新型立方碳化硼刀具进行齿轮加工，可以获得较高的尺寸精度和表面质量。

图4 齿轮零件检测

图5 齿形精度检验

表3 齿轮零件表面粗糙度测量结果 单位：μm

2.2 刀具磨损形态分析

本文根据常用的刀具寿命经验公式，研究影响刀具寿命的切削要素规律。在确定加工设备和刀具的基础上，建立刀具寿命与切削用量关系多元线性回归方程，如式(1)所示：

(1)

式中：T为刀具寿命；C为工件材料和切削条件系数；a1,a2,a3为指数。对式(1)进行变换，两边取其对数，得到式(2)：

lgT=lgC+a1lgap+a2lgf+a3lgvc

(2)

式(2)中lgT,lgC,lgap,lgf,lgvc分别用Y,a0,x1,x2,x3表示，得到简化公式(3)：

Y=a0+a1x1+a2x2+a3x3

(3)

对式(3)进行多元线性拟合运算，求得回归系数，利用分析软件计算具体数值，得到式(4)：

Y=3.652 1-0.306 5x1-0.527 0x2-2.385x3

(4)

将式(4)转换为刀具寿命指数形式为：

(5)

为了检验刀具寿命模型与取样值的拟合度，对刀具寿命回归方程进行显著性检验，经验证回归方程中y与x间有显著线性关系，与实际加工中刀具寿命能够较好吻合，分析结果有效。

根据刀具寿命经验公式(式(5))可以看出，切削要素对于刀具寿命的影响很大，其中切削速度影响最大、进给量次之、背吃刀量(切削深度)最小。硬车齿轮工件时加工材料硬度较高，存在高速断续切削情况，在加工中刀具前期会发生微崩刃、剥落等磨损形态，后期因切削疲劳而引起的破损主要形态为碎断及裂纹，当然不同的切削参数所引起的刀具磨损状态也有所不同[4]。本次实验主要分析切削用量三要素对刀具失效形式及其寿命的影响。

BN-H10立方碳化硼刀具因其硬度高，前期主要为脆性破损，形态为微崩刃，即在刀刃上产生小缺口或者崩掉一小块，缺口的大小与进给量的大小相当或者稍大；在切削速度不变的情况下，提高进给量会出现贝壳式的剥落磨损形态；在进行长时间的连续切削或高度断续切削后，增加背吃刀量，冲击载荷变大，切削力增大，切削刃上会出现小块碎裂；切削继续进行，小块碎裂集聚为大块碎断；随着切削时间进一步延长，在热冲击和力冲击的混合作用下，刀片产生疲劳裂纹，裂纹不断扩散合并，最终导致刀片断裂。

当背吃刀量为0.1 mm时，分别分析vc=117 m/min，f=0.06 mm/r；vc=135 m/min，f=0.08 mm/r；vc=180 m/min，f=0.10 mm/r 3种情况下刀具的磨损情况，如图6,7,8所示。

2.3 切削要素对刀具寿命的影响规律

从式(5)中可以看出,切削速度对刀具寿命的影响非常大、进给量次之、背吃刀量最小。刀具寿命随切削速度的变化曲线如图9所示。从图中可以看出，在背吃刀量相同的条件下，逐渐增大切削速度，适当地调整进给量大小，刀具寿命先有所升 高，呈现直线凸峰状态，随着切削速度的不断增大，刀具寿命逐渐呈下降趋势。出现这个状态的原因是：实验采用淬火后的20CrMnTi合金结构钢，材料难加工，低速切削时，其冲击力大，刀具受力不均匀，从而加剧磨损，出现微崩刃，降低刀具寿命；高速切削时，刀具热量不容易散出，出现粘结磨损和氧化磨损，使刀片出现剥落现象。在切削力作用下，刀具温度继续升高，内部还会出现裂纹，随着裂纹不断扩散合并，刀具就会出现断裂、破损。

图6 正常磨损 图7 微崩刃 图8 剥落

图9 切削速度对刀具寿命的影响曲线

进给量对刀具寿命的影响规律如图10所示。在切削速度和背吃刀量一定的情况下，刀具寿命随着进给量的增加而降低。当进给量从0.06 mm增加到0.08 mm时，刀具寿命下降平稳；当进给量继续增加到0.10 mm时，刀具寿命下降显著。原因是齿轮零件加工存在高速断续情况，当进给量增加时，切削力增大，切削热增多，刀具磨损增加；当进给量继续增大，切削力的不均匀变化引起切削温度大幅升高，热量聚集，加剧刀具磨损，使刀具寿命急剧下降。

图10 进给量对刀具寿命的影响曲线

2.4 刀具磨损对齿轮表面质量的影响

高速硬车20CrMnTi合金结构钢齿轮零件时，存在高速断续切削情况。切削力不断变化引起切削温度升高，使加工环境变得复杂，加速刀具磨损，影响工件的表面加工质量[5]。图11是刀具磨损对表面质量的影响曲线。从图中可以看出，以后刀面的磨损值为判断标准，零件的表面质量随着刀具的磨损整体呈下降趋势。在刀具开始磨损时，零件表面质量迅速下降，当达到一定程度后，零件表面质量进入稳定状态，当磨损加剧,出现剥落、裂纹，加工环境恶化时，零件表面质量直线下降。

图11 刀具磨损对表面质量的影响曲线

3 结论

1)采用新型立方碳化硼刀具，高速切削硬钢20CrMnTi(渗碳后硬度为HRC58～HRC62)，其加工精度可达到IT5，表面粗糙度值在Ra0.6 μm以下，可为后续优化高硬度齿轮精加工车削参数、保证零件表面质量、提高加工效率、降低生产成本提供依据。

2)高速硬车20CrMnTi合金结构钢时，刀具磨损随着切削参数的不同呈现不同的形态。随着切削速度、进给量、背吃刀量的逐步增加，刀具磨损形态从正常磨损到微崩刃继而到刀片材料脱落、裂纹、断裂失效，刀具寿命也随之降低。

3)高速硬车20CrMnTi合金结构钢时，工件表面粗糙度值随着刀具磨损总体呈上升趋势。在切削前期，工件表面质量随着刀具的磨损呈下降趋势，过程相对平稳；一段时间后，随着刀具磨损加剧，工件表面质量迅速降低。