[发明专利]用于高速切削强化工艺的特种车刀设计方法

说明书

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b_r1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。