干切削和磨削

五个部分：介绍，初始状况/目标，工艺能力，硬车削和磨削的案例研究，总结

1.引言

许多实际应用要求零件被硬化从而提高它们的耐磨性。硬化工序之后要精加工为零件定形，工序链的最后达到对刀具和工序本身提出的要求。

除了工件材料由于硬化产生的微观结构改变，工件的表面，形状，精度都很重要，这些关系着工件能否满足功能需求。

传统的精加工是磨削，最近几年硬切削越来越能满足表面粗糙度要求和IT标准。另外这些工序有很高的灵活性，更高的材料去除率甚至能进行干式加工。近几年在刀具和工序设计一直讲创新，效率更快，灵活性更高，但还是不能实现干式磨削，还是需要冷却润滑。

在硬切削方面，刀具磨损依然是根本性问题。生产经济学要求最大刀具寿命来证明刀具的价值。只有在规定的刀具寿命里面完成零件质量要求才认为工序是可行的。刀具磨损机理和刀具磨损速率依然是研究的目标。

工件表面的白层认为对零件的性能是不利的，认为与接触疲劳和结构疲劳有关。磨削和车削都会产生白层，对车削产生的白层更感兴趣。

一些CIRP大学在干切削领域已取得重要进展，本篇关于不同硬切削和磨削的概述是基于他们的成果。

图1 超精硬切削图2 聚晶立方氮化硼刀具的硬切削

硬切削是指采用超硬刀具对硬度大于50HRC淬硬钢进行精密切削加工工艺。与磨削相比，硬态切削具有良好加工柔性、经济性和环保性能，精磨工序中采用硬态切削是加工淬硬钢最佳选择。目前硬态切削加工技术仍然未完全被企业所广泛采用，其主要原因企业对硬态切削加工机理及刀具使用技术未完全理解和掌握，同时也硬态切削工艺中一些不稳定因素制约了它推广应用。

2.初始状况/目标

生产技术致力于将工件打造成最终要求的形状，对于一个加工零件来说，这些要求可以概括成一句话：在固定条件下规定时间内这个零件必须完成他的使命。

设计生产部门必须通过设计零件并定义工件属性来完成这个目标。接下来在制造环节，产品必须确保每个加工工件都符合规定的要求。

因此关注工件本身的同时也要了解高硬材料切削磨削操作的特性。对一个零件不同几何特征的工业要求通过几个特征值定义，比如衡量粗糙度的值Ra和Rz。尽管这些值被普遍应用，他们也许不适合用来比较工件或者衡量不同用途不同切削操作的工件。

基础科学研究应当能带来对制造工艺本身更好的理解。这些基础研究的结果不能直接转化为产品。另一方面，工厂也不情愿在生产工序和操作方面有根本性的改动，他们遵循“永远不要改变正在运转的系统”的原则。总之，理论和科学研究的主要挑战是要为工厂提供能够解决问题的研究结果。研究设备要能改善高硬材料切削磨削工序，从而提高技术性能，扩大应用范围。

这些基础研究结果不能转化成特殊的工业制造工序或经济方面，辅助条件使得选择最合适的应用制造程序变得困难。

这篇论文的目的是为了增加在难切削磨削加工领域的研究结果和工业要求的连贯性。为了这一目标，一些工序的介绍和制造方案的讨论都建立在基础研究上。

3.工艺能力

硬切削磨削操作的工艺能力的对比必须遵循某种评价准则。这篇文章用的评价准则是制造工序的结果：加工工件本身的性能和工序的经济效率。

工件在加工过程完成后具备的性能，可以分为以下几种：

1.机械性能（承受机械载荷的能力）

2.热学性能（热稳定性和热传导率）

3.摩擦学性能（与其他媒介的表面相互作用）

4.光学性能（可见性，光反射）

5.流体性能（对流体流动的影响）

一个有实用价值的应用，比如齿轮轴，通常要求具备多种不同的功能，比如能同时承受机械载荷和规定的摩擦行为。把工件按照几何特征分类，每种特征的特点分为四个层次，以元素的几何特征开头，原子级化学反应的地方按比例缩小：

1.宏观：尺寸形状精确

2.微米级：表面形貌

3.中间级：材料结构和性质

4.纳米级：摩擦化学反应层

高硬切削磨削的每个制造工艺都会影响工件所有层次的性质，与性能直接相关。这种影响的范围和天性（增强或降低工件性能）可以用工艺性来描述。

另一个重要的性能是工艺的经济效率。根据要求的性能加工工件，工业应用会对制造工艺提出额外的要求。因此，在讨论高硬切削磨削工艺性时，可靠性，刀具磨损，材料移除率和环境因素都必须考虑。

经济效益性不能单独评价。增加进给量或工具磨损会影响工件表层从而影响零件的性质和功能。评价经济效益性必须考虑规定的工件要求。

3.1 工件特性：表层

成型，切削，磨损加工或电火花加工等制造工艺在制造过程中产生热载荷或机械载荷，通常伴随着工件表层的性质变化。这种热——机械影响会导致材料微结构，硬度和残余应力的改变。在切削磨损过程中传入的机械能几乎全部转化为热能。根据微结构改变所需的能量，破裂、硬度下降、局部硬度升高产生退火层都有可能发生。这些结构被称作黑白刻蚀区（显微照片）。淬硬钢中形成这种黑白刻蚀层的原因是特殊切削条件下短时间冶金处理。

白层的出现不能归因于一种特定加工工序。白刻蚀区的类型结构只取决于特定时间温度循环中材料的转变。

硬加工的热-机械影响

加工淬硬钢时偶尔出现白层表明各自的切屑形成机理可以诱发短时间冶金过程。硬加工里的切屑形成机理首先由Ackerschott研究，他假定在刀具前端与表面呈45度角的地方高压力导致表层破碎。同时在刀尖周围材料产生塑性变形。裂痕周围切屑的滑移减少了压力，直到刀具的连续移动导致新的裂痕产生。Tönshoff 和Brand解释，导致淬硬钢塑性流动的刀具前端的流体静力学压力导致了分段切屑的形成。Brand证明硬质旋转钢里的白区由马氏体奥氏体组成，奥氏体含量取决于碳含量。

钢的高速切削里面同样存在分段切屑。M´Sbaoubi 和Lebrun认为高速切削时高度绷紧的区域局限在薄带，称之为绝热剪切带。在这些区域存在由奥氏体组成的白层。由于白层厚度太小，这种假说不能被更细节的分析所证明。由于磨削速度高切削深度小，存在其他的切屑形成机理。根据主要的切屑形成机理，由于各自的切削条件不同，生成的热力学载荷也不同，见图1.