专利名称：用于高速切削强化工艺的特种车刀设计方法
技术领域：
本发明涉及一种对金属车削加工表面进行高速切削强化处理的特种车刀设计方法，特别是一种用于制备高疲劳寿命工作表面的专用工具(特种车削刀具)的设计方法，属于表面改性与工具设计技术领域。
背景技术：
历史统计数据与失效分析表明，机械零部件的失效大多发生于表面，或者是先从表面开始，并以循环损伤(空洞或剪切带)或微裂纹萌生的形式，逐渐向内部发展，最后导致断裂。
作为提高工件表面机械性能和抗蚀性能的各种工艺方法的总称，按表面强化技术的物理化学过程，目前工业界所使用的表面强化手段大致可以分为表面形变强化、表面热处理强化、化学热处理强化、表面冶金强化、以及表面薄膜强化等若干类。
但这些方法也都有其使用的局限性与不足。上述强化技术均需在传统机械加工获得理想尺寸形状之后，在较为复杂的工艺设备中，通过相对繁琐的工艺流程对工件进行强化处理，这不但增加了生产工序的复杂度，也必将提高工件的生产成本，降低企业的经济效应。对于喷丸、挤压等表面形变强化工艺而言，金属表面获得理想残余应力场分布的部分代价，将是该加工表面的表面质量(尤其是表面粗糙度)有所降低。
金属切削过程就本质上而言是一种金属受挤压而发生弹、塑性变形，进而发生断裂的过程。随着刀具-切屑、刀具-工件之间摩擦的发生与切屑变形的发展，在三个切削变形区内将会产生大量的切削热与极高的切削力。因此，在切削变形区附近，依靠切削力效应与切削热效应的共同作用，工件加工表面存在有发生表面强化的客观物理条件。
切削加工是绝大多数重要工件表面的最终加工形式。如果能够在工件余量切除阶段就可以对加工表面进行强化与改性处理，从而省去诸如喷丸、滚压、热处理、涂覆等强化工艺，对于提高生产效率、降低制造成本将具有重要应用价值。
发明内容
本发明针对现有技术中所存在的问题与不足，提供了一种依靠机械加工自身所伴生的切削热与切削力效应，能够在金属表面实现与喷丸强化相同效果的表面机械强化工艺及其专用工具(特种车削刀具)的设计方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现所述的设计方法与工艺包括增大切削刀具的主要工作角度与刃口形状表层组织晶粒的挤压与拉伸变形的程度，实现对第三剪切变形区(即工件加工表面层)的剧烈塑性变形与晶粒细化，同时结合工件材料原始组织的结构特点，调整切削用量的组合，控制切削变形区域的热源移动规律，获得具有残余压应力场分布的高疲劳寿命加工表面。
有益效果本发明具有制备方法简单，成本低廉，适用条件广泛，已在有色纯金属和合金材料(含不锈钢、高、低碳钢)表面层获得与常规喷丸类似甚至更优的残余压应力场分布与显微硬度分布。所制备的加工表面具有良好的综合性能，如耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等，可以直接服役于高应力与交变载荷作用的工作表面。
以下对本发明的设计方法作进一步的说明(1)选择合理的刀具材料与切削几何参数考虑到陶瓷与CBN刀具的硬度高、耐磨性好、尤其高温性能好、化学稳定性强，当工件材料为体心立方结构材料(合金钢、不锈钢等)时，首先选择具有高硬度、高韧性的陶瓷或CBN刀具材料。当加工的工件材料为纯金属或有色金属材料，硬质合金刀具也能够满足本方法的使用要求。
刀具切削部分的几何参数影响着工件材料的变形与摩擦，不仅决定了作用于加工表面的正压力的大小，而且对于切削变形区的热效应场形状也有重要作用。
对体心立方金属材料进行高速切削强化处理时，车削刀具的设计应加大主偏角，采用较小的正前角，配合负倒棱，选用小的刃倾角。该类特种车刀的切削刃由三段组成，主切削刃、过渡切削刃和平行修光刃组成。
为保证刀具在切削时的刃口强度，主切削刃的刃倾角约为-7°～0°。主切削刃上的负倒棱宽度br1约为0.3～0.5mm、倒棱角度约为20°～30°。过渡切削刃的宽度约为1～1.4mm。修光刃的宽度为3～5mm，倒棱宽度约为0.1～0.2mm、倒棱角度约为20°～30°。主切削刃的主偏角Kr需控制在45°～75°之间，过渡刃偏角Krε＝20°，修光刃偏角Kr1＝0°。主切削刃的后角α0约为5°～10°，过渡刃与修光刃后角α0′约为0°～5°。刀尖圆弧需在1.6～3.5mm范围内。最后，在过渡刃与修光刃的后刀面上需磨制出宽度0.1～0.2mm，0°角的平面。平面粗糙度需低于Ra 0.1μm。
如果选用了硬质合金刀具材料，则在车刀前刀面上需要磨出一定形状的断屑台。断屑台的主要尺寸参数为圆弧半径Rn约为1.6～2.8mm、槽宽Wn约为1.2～3mm、楔角约为55°～85°、斜角约为0°～15°。
(2)优化切削工艺参数随着切削刃在工件表面高速移动，切削变形与摩擦过程在刃口区所累计的切削热效应区也将快速移动。控制刃口区域的快速移动的目的在于控制热源(刃口区)周围的热传播效应。
通过对切削参数进行工艺优化，不仅能够改变切削变形区的热源峰值强度值，而且能够控制瞬态热源的移动速度。本发明需要增加瞬态热源的移动速度和成比例增大热源功率，确保加工表面区域材料组织加热到超过工件材料原始组织相变温度AC3以上。该热效应区的长度与热源移动速度成正比例，其宽度趋近一个极限值(纯金属材料为0.1～0.3mm，合金钢材料为0.2～0.5mm)。当热源移动速度，也就是切削线速度，超过一定范围后(纯金属材料为560～770m/min，合金钢材料为180～240m/min)，工件表面的热传播将主要在垂直于热源运动的方向进行。此时，需控制切削深度与进给量的比例不能超过2～5。
鉴于上述特点，本发明具有良好的市场应用前景和商业价值。
具体实施例方式
以下结合发明的内容提供具体的实施例实施例1，对40Cr合金钢进行高速切削强化时外圆特种车刀的设计。
首先，选择Al2O3陶瓷作为刀片材料；其次，使用金刚石砂轮在工具磨床上磨制出刀具的主要工作角度主切削刃的刃倾角约为-3°。主切削刃上的负倒棱宽度br1约为0.3mm、倒棱角度约为20°。过渡切削刃的宽度约为1mm。修光刃的宽度为3mm，倒棱宽度约为0.1mm、倒棱角度约为30°。主切削刃的主偏角Kr需控制在45°之间，过渡刃偏角Krε＝20°，修光刃偏角Kr1＝0°。主切削刃的后角α0约为5°，过渡刃与修光刃后角α0′为0°。刀尖圆弧1.6mm。之后，在后刀面磨制出宽度为0.2mm，角度为0°的小平面。在此基础上，选择切削速度260m/min，每齿进给量0.2mm/r，切削深度0.25mm的切削用量组合对工件表面进行加工。
权利要求
1.一种用于高速切削强化工艺的特种车削刀具的设计方法与加工工艺，其特征在于所述的设计方法与工艺包括增大切削刀具的主要工作角度与刃口形状表层组织晶粒的挤压与拉伸变形的程度，实现对第三剪切变形区(即工件加工表面层)的剧烈塑性变形与晶粒细化，同时结合工件材料原始组织的结构特点，调整切削用量的组合，控制切削变形区域的热源移动规律，获得具有残余压应力场分布的高疲劳寿命加工表面。
2.根据权利要求1所述的用于高速切削强化工艺的特种车削刀具的设计方法与加工工艺，其特征在于为保证刀具在切削时的刃口强度，主切削刃的刃倾角约为-7°～0°，主切削刃上的负倒棱宽度br1约为0.3～0.5mm、倒棱角度约为20°～30°，过渡切削刃的宽度约为1～1.4mm，修光刃的宽度为3～5mm，倒棱宽度约为0.1～0.2mm、倒棱角度约为20°～30°。
3.根据权利要求2所述的用于高速切削强化工艺的特种车削刀具的设计方法与加工工艺，其特征在于主切削刃的主偏角Kr需控制在45°～75°之间，过渡刃偏角Krε＝20°，修光刃偏角Kr1＝0°，主切削刃的后角α0约为5°～10°，过渡刃与修光刃后角α0′约为0°～5°，刀尖圆弧需在1.6～3.5mm范围内，在过渡刃与修光刃的后刀面上需磨制出宽度0.1～0.2mm，0°角的平面，平面粗糙度需低于Ra0.1μm。
4.根据权利要求1所述的用于高速切削强化工艺的特种车削刀具的设计方法与加工工艺，其特征在于选用硬质合金刀具材料，在车刀前刀面上需要磨出一定形状的断屑台，断屑台的主要尺寸参数为圆弧半径Rn约为1.6～2.8mm、槽宽Wn约为1.2～3mm、楔角约为55°～85°、斜角约为0°～15°。
5.根据权利要求1所述的用于高速切削强化工艺的特种车削刀具的设计方法与加工工艺，其特征在于所述的集中热源的峰值强度与移动速度控制工艺是指，通过增加热源移动速度和成比例增大热功率，确保加工表面区域材料组织加热到超过工件材料原始组织相变温度AC3以上，该热效应区的长度与热源移动速度成比例增加，其宽度趋近一个极限值(纯金属材料为0.1～0.3mm，合金钢材料为0.2～0.5mm)，当热源移动速度超过一定范围后(纯金属材料为560～770m/min，合金钢材料为180～240m/min)，工件表面的热传播将主要在垂直于热源运动的方向进行，此时需控制切削深度与进给量的比例不能超过2～5。
全文摘要
本发明为用于高速切削强化工艺的特种车刀设计方法，特别是用于制备高疲劳寿命工作表面的专用工具的设计方法。切削刀具主要工作角度与刃口几何形状进行合理设计，增大金属晶粒的挤压与拉伸的程度，实现对第三剪切变形区(即工件加工表面层)金相组织的微晶细化与压应力场生成。再根据工件材料的原始组织结构特点，对切削用量进行优化选择，控制加工表面的热源运动规律，从而获得高残余压应力场分布的高疲劳寿命加工表面。
文档编号B23Q15/007GK101073836SQ20071011773
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年6月22日
发明者龙震海, 王西彬, 赵文祥, 庞思勤 申请人:北京理工大学