PCBN刀具銑削灰鑄鐵HT200時合理幾何參數的選擇

with PCBN milling cutter

徐媛媛，呂超珍，吳耀明

XU Yuan-yuan, LV Chao-zhen, WU Yao-ming

(廣西工業職業技術學院，南寧 530001)

0 引言

PCBN刀具材料雖然具有極高的硬度和優良的耐磨性，但韌性和強度較差，在斷續切削中，刀齒在切入或切出工件時，都有沖擊，容易引起PCBN刀具壽命的下降，而采用合理的刀具幾何參數可以提高它的抗破損能力和獲得較高的切削耐用度。因此研究PCBN刀具銑削灰鑄鐵HT200的幾何參數對切削耐用度的影響有著重要的意義。

1 試驗條件

本文通過用PCBN刀具銑削HT200灰鑄鐵的切削試驗，采用單因素試驗法，研究某一幾何角度對刀具耐用度的影響。刀具磨鈍標準為VBmax=0.2mm，由于是斷續切削，考慮PCBN刀具的韌性不高，刀具倒棱可以提高刀具切削部分的強度和散熱能力，避免刀具發生損壞，提高刀具的耐用度，但是為了避免增加切削力過多，倒棱取值的不宜過大，取0.1mm為宜。其他的試驗條件如下：

工件材料：HT200(HBS170～240)灰鑄鐵

試驗設備：X53K立銑床

加工方式：單齒對稱銑削

銑刀盤直徑：Φ125mm，單齒切削，刀頭結構如圖1所示

刀具幾何參數：Kr=75°

刀片尺寸：16mm×16mm

切削用量：VC=235m/min，asp=0.4mm，fz=0.2mm/z

圖1 銑刀頭結構圖

2 PCBN刀具銑削HT200合理幾何參數的選擇

2.1 前角γ0對PCBN刀具耐用度的影響

切削試驗的幾何角度條件為：端銑刀刃傾角λs為-7°,后角α0為6°，前角γ0分別取-5 °、-10°、-15°、-20°，研究不同負前角對刀具耐用度T的影響。試驗結果如圖2所示。

圖2 PCBN刀具的T－γ0關系曲線

從圖2中可看出，刀具負前角太大或太小，刀具的耐用度都會降低，在一定的切削條件下，存在有一個合理負前角γ0pt，本文試驗條件下，PCBN銑削灰鑄鐵HT200，合理前角γ0pt＝-9°～-11°刀具獲得最大耐用度。

合理前角γ0pt分析：合理前角主要應該根據工件材料、刀具材料和加工方式等影響因素來選擇確定。

1）工件材料對合理前角γ0pt選擇的影響

加工脆性材料灰鑄鐵HT200時，切屑和前刀面的接觸長度是很小的，壓力中心靠近刀刃，易崩刃，考慮這種情況，需要選擇較小的前角或負前角以提高刀尖的強度和散熱能力，保證刀具的耐用度。

2）刀具材料對合理前角γ0pt選擇的影響

PCBN刀具雖然耐磨性和耐熱性較高，但是韌性較低，應當選擇負前角來增加抗破損能力和提高刀尖強度，即在一定范圍內，負前角越大，PCBN刀具耐用度越高。

3）加工方式對合理前角γ0pt選擇的影響

銑削加工為斷續切削加工，切削過程中切削力是變化的，為了減少沖擊，避免不平穩的加工狀態出現，要選擇負前角提高刀刃強度。采用負前角的刀面形式，刀刃的強度好，不易崩刃，但是切割作用減弱，它對切屑的推擠作用增加，切屑的變形大，易斷屑，合理增大負前角可以提高刀具散熱能力，增加刀具強度，能提高銑刀的耐用度。但是過大的負前角會帶來切削力的波動和振動，增大切削力和切削熱，尤其在低速區切削的時候尤其要注意出現振幅加大的現象。

以上諸因素中，應側重考慮加工方式和刀具材料本身對合理前角選擇的影響。即負前角增大可以增加刀具的刃口的抗銑削沖擊能力和散熱能力，但是由于加工脆性材料灰鑄鐵HT200，越大的負前角越易產生更多的崩碎切屑，導致切削力的波動和切削力的數值都會增大，切削熱增多，刀具的磨損會加快。綜合以上因素，因此PCBN刀具銑削HT200的合理前角為-9°～-11°為宜。

2.2 后角α0對PCBN刀具耐用度的影響

在一定的切削條件下，刀具的后角存在一個對應最大刀具耐用度的合理數值α0pt。

后角切削試驗取端銑刀刃傾角λs為-7°，前角γ0為-9°，后角α0分別取3°、5°、8°、10°、12°五個水平，試驗結果見圖3T-α0關系曲線。

圖3 PCBN刀具的T－α0關系曲線

如圖3所示：采用較小后角，刀具耐用度變小。后角過大也會使得刀具耐用度下降，使得刀具發生崩刃和早期破損。因此PCBN刀具銑削灰鑄鐵HT200采用α0pt＝5°～7°為宜。

為了提高PCBN刀具抗破損能力，合理后角度取值不應過大，合理后角α0pt產生主要考慮與切削層公稱厚度、工件材料和加工方式等有關。

1）切削層公稱厚度hD對合理后角α0pt選擇的影響

一般而言，切削層公稱厚度hD越大，合理后角α0pt越小，反之α0pt越大。保證刀具最高耐用度的合理后角值，主要取決于切削層公稱厚度hD，因而銑削加工主要應根據切削層公稱厚度hD來選擇后角的大小。 本文試驗采用對稱銑削，所用的銑刀盤直徑D=125mm，工件的寬度B(銑削寬度αe)為銑刀盤直徑的-，即B=100mm，根據《銑工手冊》計算平均銑削厚度為：

切削厚度比一般的車削要小，因此適當的增加后角可以減少后刀面的摩擦，延長刀具的耐用度。

2）工件材料對合理后角α0pt選擇的影響

銑削灰鑄鐵時候，加工表面和后刀面的接觸長度比加工塑性材料金屬要短，但是后角越小，銑削力增大，工件的加工面和刀具的后刀面這兩者之間的摩擦增大，加劇后刀面的磨損，刀具耐用度會降低。切削脆性金屬時，切削力主要集中在刃口附近，不宜取過大后角，后角過大，刀尖強度下降，反而會降低刀具的耐用度。

3）加工方式對合理后角α0pt選擇的影響

銑削加工承受一定的沖擊載荷，為了避免出現振動和保護刀刃，應當適當減小后角來維持一定的刀刃強度。

以上幾個因素中，主要考慮保證銑削加工中的刃口強度和減小摩擦兩方面問題，后角不應該太大或太小，由于采用了負前角，加工脆性材料金屬，可以適當增大后角來造成切削刃切入金屬的條件。因此，為獲得最大刀具耐用度，合理后角通過切削試驗確定為α0pt＝5°～7°。

2.3 刃傾角λs對PCBN刀具耐用度的影響

確定合理刃傾角λspt的切削試驗的幾何角度條件：后角α0為6°，前角γ0為-9°，刃傾角λs分別取-5°，-8°，-12°，-15°，試驗結果如圖4所示。

圖4 PCBN刀具的T－λs關系曲線

如圖4所示，過大或過小的負刃傾角都會帶來刀具耐用度的下降，刀具的刃傾角在-8°左右時獲得最大耐用度。

合理刃傾角λspt主要考慮切削方式的影響：刃傾角對銑削性能有較大影響，為延長刀具使用壽命，尤其在斷續切削要著重考慮刀尖的強度，負的刃傾角(-λs)切削，是遠離刀尖的切削刃先接觸工件，切削刃是逐漸切入，刀尖可免受沖擊，保護刀尖，且切削過程較平穩，提高刀具承受沖擊的能力。負的刃傾角對刀具耐用度的影響，可以轉化為負前角對刀具耐用度的影響。PCBN刀具的抗沖擊韌性較低，不宜選擇正的刃傾角。為了避免徑向力增加過多，負值也不宜太大，因此合理刃傾角度的范圍考慮取-6°～-8°。

3 結束語

1）PCBN刀具抗沖擊能力差，采用負前角切削可以增加刀具的強度。切削脆性鑄鐵時，過大的負前角帶來切削力波動，會引起刀具耐用度下降，在本文的試驗條件下合理負前角為-9°～-11°。

2）PCBN刀具銑削灰鑄鐵采用后角5°～7°，減少后刀面的摩擦和保證刃口強度，獲得較好的刀具耐用度。

3）采用負刃傾角切削可以增強PCBN刀具刀尖的強度，合理刃傾角考慮為-6°～-8°。

[1] 徐媛媛,灰鑄鐵銑削加工PCBN刀具工藝參數研究[D],華中科技大學.2007.

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