哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
轴承钢具有高硬度、高断裂韧性、低热导率等特点，被广泛用于制备航空
航天、汽车和能源等产业等领域的精密零部件。在工业生产中通常采用PcBN
刀具车削加工制备轴承钢零部件。然而，轴承钢的PcBN刀具车削过程中存
在切削力大、刀具磨损严重等问题，制约了轴承钢加工质量和效率的提升。
离位激光辅助车削通过在刀具前方施加高能量激光束来软化工件材料，从而
有效降低切削力、抑制刀具磨损，可以显著地提升难加工材料的车削加工性
能。然而，当前未见PcBN刀具离位激光辅助车削轴承钢的工作报道。首先，
激光与轴承钢的相互作用特性未见报道，离位激光辅助车削条件下轴承钢材
料的去除特性尚不清楚。其次，当前PcBN刀具车削加工轴承钢的有限元仿
真中均将PcBN刀具设为刚体，无法体现刀具内部组织结构、表征其内部应
力状态及变化。再次，激光辅助车削工艺参数和PcBN刀具内部组织结构对
轴承钢加工质量以及刀具磨损的影响规律未见报道。因此，本文建立了非刚
体PcBN刀具离位激光辅助车削轴承钢的有限元模型，结合有限元仿真与实
验分析了刀具内部组织结构参数、激光辅助参数对切削力、刀具磨损等的影
响规律，具体研究内容如下：
首先，建立了非刚体PcBN刀具离位激光辅助车削轴承钢的有限元仿真
模型。基于维诺图以及内聚力单元建立了非刚体PcBN刀具，针对传统的非
刚体刀具仿真中出现的切削力异常问题进行改进。使用Fortran语言编写高
斯光源激光子程序，根据实验条件定义仿真中激光的功率、吸收率、扫描速
度等。通过激光预热模型，将不规则的温度场导入车削模型，解决了非刚体
PcBN刀具导致的仿真不收敛问题，实现了非刚体PcBN刀具激光辅助车削
的有限元仿真。结合不同激光功率下激光加热实验与有限元仿真，标定了轴
承钢对实验所用1064nm波长激光的吸收率。
其次，研究了PcBN刀具离位激光辅助车削轴承钢的材料去除特性。搭
建了PcBN刀具激光辅助车削轴承钢实验平台，开展了激光辅助车削与常规
车削的实验对比。通过对比两种不同车削过程中的切削力、刀具磨损、切屑
形态以及加工表面质量，证明了激光辅助车削能够有效地改善轴承钢的车削
加工性能。通过PcBN刀具车削激光辅助轴承钢有限元车削模型，研究了轴
承钢在激光辅助车削条件下的材料去除特性以及切屑形成过程，发现了不同
激光参数下切屑形貌的变化趋势，研究了激光参数对切削力、刀具应力的影
-I-
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响规律。
最后，研究了PcBN刀具离位激光辅助车削轴承钢的参数影响规律。通
过有限元仿真开展了正交试验，研究了激光光斑半径、激光功率和激光扫描
速度对轴承钢工件温度场特性的影响规律。通过单因素车削实验，研究了不
同激光辅助车削参数对切削力、切屑形貌、刀具磨损的影响规律。开展了不
同内部组织结构PcBN刀具的车削实验与有限元仿真，分析了PcBN刀具内
部组织结构对切削力、表面质量、刀具磨损等的影响规律。基于优化加工参
数实现了表面粗糙度为0.582μm的高质量轴承钢表面。
关键词：轴承钢；激光辅助车削；PcBN刀具；激光参数；有限元仿真
-II-
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Abstract
Duetoitshighhardness,highfracturetoughness,lowthermalconductivity
bearingsteeliswidelyusedinthemanufacturingofprecisioncomponentsfor
aerospace,automotive,andenergyindustri