浅谈以车带磨/车削加工轴承用PCBN立方氮化硼刀具磨损试验

2022年04月28日

最早前加工轴承淬火钢工件常采用的是磨削工艺，磨削虽能得到高精度与低表面粗糙度，但该工艺存在生产率低，加工成本高，表面加工质量不稳定等重大问题。尤其是对加工轴承厂家对轴承内、外圈粗磨时，由于热处理后的变形量较大，或当操作工人切削用量（尤其是进给量）增大时，可明显提高生产效率，但同时也造成了工件的局部退火烧伤，致使生产出的轴承质量明显下降。随着新型刀具材料的不断出现和发展，淬火钢可用CBN刀具进行切削加工，从而为解决难加工材料——GCr15轴承淬火钢的硬态精车削，开辟了一条新的涂层——以车带磨。
最早前加工轴承淬火钢工件常采用的是磨削工艺，磨削虽能得到高精度与低表面粗糙度，但该工艺存在生产率低，加工成本高，说到加工就不可不说加工中的重要“成员”——刀具，在加工淬火钢刀具时，随着国内超硬材料的蓬勃发展，PCBN刀具已成为公认的淬火钢轴承最合适的加工刀具选择。
加工轴承常用刀片几何尺寸型号根据轴承型号和加工工艺来选择。随着CBN刀具行业的不断创新和研发，BN-S20，BN-H11，BN-H200，BN-H20材质广泛用于轴承的车削工序。BN-S20材质属于整体聚晶CBN刀片，不仅克服了焊接式PCBN刀片由于尺寸小所带给切削深度的限制，而且有效规避了由焊接点失效引起的CBN刀片失效的风险，大大提高轴承的生产效率。BN-H11材质属于镶嵌式CBN刀片，刃口多更经济，而且在加工冶金轴承时表现出优异的耐磨性和耐热性，并保证尺寸精度和表面光洁度达到Ra0.4的要求。同时还可提供涂层CBN刀具，延长刀具寿命，如BN-H10 C25材质车削汽车轮毂轴承单元相比未涂层的CBN刀具，寿命提高45%。
随着高精度数控机床的发展和PCBN刀具技术的提高，以车带磨已成为新的工艺发展。PCBN刀具切削淬硬钢时，刀具的磨损是衡量PCBN刀具稳定性的重要指标之一。下面通过分析已有试验得出PCBN刀具磨损结论。
车削精加工淬火轴承钢磨损形式多样，主要表现形式为：前刀面磨损、后刀面磨损、微崩刃、剥落以及破损等。不同的磨损形态是由不同的因素引起的。下面为前刀面和后刀面磨损规律及影响因素。

前刀面磨损
前刀面磨损主要为月牙洼磨损，如下图左所示，由于PCBN刀具拥有极高的硬度和耐磨性，只有加工时温度和压力达到很高的情况下才会发生磨损。磨损区域主要出现在切削刃附近，且宽度很窄。这说明PCBN刀具的刃口保持能力强，有利于实现GCr15淬硬轴承钢的精密车削。

后刀面磨损
后刀面磨损主要是机械磨损，如上图右所示，形成的磨损带上粘有一些工件材料，磨损量较小。主要是因为PCBN刀具硬态车削GCr15淬火轴承钢时，PCBN刀具高温区域接近切削刃，并且切削压力高达10GPa，工件材料中的铁元素在高温高压下，易与空气中的氧发生氧化反应生成一层氧化铁质层，该氧化层在合理的切削条件下可以保护刀具刃口，但在车削过程中不太稳定容易脱落。

工件硬度对PCBN刀具磨损的影响规律
硬态车削GCr15淬火轴承钢时，其磨损状况与工件的硬度有关，关系曲线如下图。我们通过该试验可发现PCBN刀具加工硬度为HRC40时刀具的磨损最为严重，超过或低于这个硬度时，刀具的磨损都不大。造成该情况是因为PCBN立方氮化硼材料高温下硬度损失小，工件硬度很高时，由于切削热作用使切削区域金属软化从而使切削加工便于进行，因此PCBN刀具更适合车削加工高硬度淬火轴承钢。