PcBN刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究①

鄧福銘，劉 佩，楊俊杰，李 釗，劉瑞平

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）超硬刀具材料研究所，北京 100083）

0 引言

立方氮化硼（cubic Boron Nitride，簡稱cBN）是1957年由美國G.E公司的H.R.Wentorf首次研制成功的一種硬度僅次于人造金剛石的第二種人工合成的超硬材料［1］。聚晶立方氮化硼復(fù)合片（Polycrystalline cubic Boron Nitride，簡稱 PcBN）是1970年出現(xiàn)的新型高性能超硬刀具材料，其為硬態(tài)切削、干式切削、綠色加工等現(xiàn)代加工技術(shù)開拓了廣闊的應(yīng)用前景［2］，目前已經(jīng)成為黑色金屬高效、高速和高精度加工的最佳工具材料［3］。對于PcBN刀具來說，要求高速硬態(tài)切削用PcBN刀具材料不僅具有良好的耐熱性能（耐熱性、抗氧化性等），同時(shí)還特別要求PcBN刀具材料具備良好的高溫力學(xué)性能、抗熱沖擊性以及刀具長的使用壽命和高的使用安全可靠性［3-5］。

除了要求材料本身的性能之外，對于PcBN刀具材料刀具的幾何角度設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，PcBN刀具的切削性能主要包括刀具壽命和工件已加工表面質(zhì)量兩個(gè)方面，而合理的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和較優(yōu)的切削工藝條件對切削時(shí)金屬的變形、切削力、切削溫度和刀具磨損都有顯著影響，可以在達(dá)到加工質(zhì)量和刀具壽命的前提下提高切削加工的生產(chǎn)率、改善加工質(zhì)量、降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。前角的大小直接影響切削刃的鋒利，切屑流出阻力、摩擦力與切削變形的大小，有時(shí)為了避免過大的拉應(yīng)力使刀尖承受機(jī)械沖擊，通常采用負(fù)前角。PcBN復(fù)合片脆性比硬質(zhì)合金要大，因此在刀具設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮刀刃及刀尖強(qiáng)度問題。通常要進(jìn)行刃口強(qiáng)化，一般正常的刃口強(qiáng)化帶是均勻一致的，它是一種微小的圓形刃口。在加工時(shí)，其尺寸和幾何形狀要非常精確，目的是使切削刃的強(qiáng)度和性能達(dá)到最佳。有研究表明［6-7］：通過刃口強(qiáng)化處理，刀具的耐用度可以提高一倍，而一般PcBN刀具都在刀刃處磨出負(fù)倒棱，以增加刃口強(qiáng)度，又因?yàn)榍邢魅袑η邢髁Α堄鄳?yīng)力和白層的產(chǎn)生都有很大的影響，因此刃口的質(zhì)量直接影響著工件的加工質(zhì)量。

為了得到優(yōu)化的刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文采用正交試驗(yàn)對刀具進(jìn)行設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如果變化因素只有一個(gè)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)比較簡單，則可以通過全面試驗(yàn)來完成；在有兩個(gè)變化因素時(shí)，如果試驗(yàn)的水平數(shù)不多，正交試驗(yàn)與全面試驗(yàn)區(qū)別不大；當(dāng)試驗(yàn)因素為3個(gè)或者超過3個(gè)時(shí)，全面試驗(yàn)法的缺點(diǎn)就暴露出來了。因此，對于試驗(yàn)因素為3個(gè)及3個(gè)以上的試驗(yàn)優(yōu)化問題，采用正交試驗(yàn)法就有非常顯著的優(yōu)越性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

刀具壽命直接影響著硬態(tài)切削加工的成本，因此對于刀具設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的指標(biāo)。其中累積切削時(shí)間和累積被切除材料體積是較為常用的測量刀具壽命的兩種不同評判標(biāo)準(zhǔn)［8］。本次試驗(yàn)采用刀具累積切削時(shí)間作為評判刀具壽命的標(biāo)準(zhǔn)。

本次試驗(yàn)結(jié)構(gòu)采用焊接式PcBN刀具，在CA6140A車床上進(jìn)行切削測試，由于PcBN材質(zhì)本身的特性，因此必須在刃口處磨出負(fù)倒棱，這一方面能增強(qiáng)刀刃強(qiáng)度，避免了刀具早期使用過程中的脆性破損，延長了刀具壽命；但另一方面又由于負(fù)倒棱對工件表面有一定擠壓作用，加劇了切削變形，致使切削熱增加，切削溫度升高，導(dǎo)致刀具的熱磨損加劇，降低刀具壽命，因此對負(fù)倒棱的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本次設(shè)計(jì)的還有刀尖圓弧半徑和后角。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1：

表1 正交試驗(yàn)的因素和水平Table 1 Factors and levels of the orthogonal test

刀具的其它幾何參數(shù)為：前角0°、刃傾角0°、主偏角93°、副偏角5°、倒棱寬度0.2mm。

本次試驗(yàn)因素為3個(gè)，所以用正交試驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，表2設(shè)計(jì)的水平數(shù)和因素?cái)?shù)均為3個(gè)，因此選取正交表L9（34）為本次試驗(yàn)的正交表，如表2所示。

表2 L9（34）正交表Table 2 L9（34）orthogonal table

2 結(jié)果

表3為上述切削試驗(yàn)PcBN刀具的壽命。從表中可以看出：9＃樣刀的刀具壽命最長，即當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑為0.8mm，倒棱角度為-15°，刀具的后角為6°時(shí)，刀具的壽命最長，為76min。

表3 各次試驗(yàn)的刀具壽命Table 3 Various test tool life

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算各因素與各水平的刀具壽命之和K1、K2、K3與三因素指標(biāo)的平均k1，k2，k3，以及極差R=kmax-kmin的值，見表4所示。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量Table 4 Test data statistics

由表4的極差分析結(jié)果可以看出，各列的極差不相等，說明各因素水平的改變對試驗(yàn)結(jié)果的影響是不相同的，極差越大，表示該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上有更大的變化，所以，極差最大的那一列，就是因素的水平對試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素，也就是影響刀具壽命的主要因素；反之，則是次要因素。所以，根據(jù)計(jì)算出的極差的大小，可以推測對刀具壽命影響大小的主次順序?yàn)榈估饨嵌取⒌都鈭A弧半徑和刀具的后角度數(shù)。為直觀起見，用試驗(yàn)因素做橫坐標(biāo)，刀具壽命之和平均做縱坐標(biāo)，畫出因素與指標(biāo)的關(guān)系圖，如圖1所示。

根據(jù)表4和圖1可以看出：當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑為0.8mm、倒棱角度為-15°、刀具的后角為6°時(shí)，刀具的壽命最長。

為了區(qū)分因素各水平對試驗(yàn)結(jié)果的差異究竟是由于試驗(yàn)因素不同引起的，還是由于試驗(yàn)誤差引起的，以及為了估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小以及精確的估計(jì)各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響大小，對上述正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析。

圖1 試驗(yàn)因素與刀具壽命之和平均的關(guān)系圖Fig.1 The relationship between the trial factor and the tool service life of the average figure

根據(jù)正交試驗(yàn)方差分析方法［9］，其總偏差平方和為：

列偏差平方和為：

總自由度：dfT=n-1；因素自由度：dfj=m-1。

其中：本正交試驗(yàn)總次數(shù)為n=9，每個(gè)因素水平數(shù)為m=3，每個(gè)水平重復(fù)次數(shù)r=3。

因素的顯著性影響因子為：

將表4中的數(shù)據(jù)代入式（1）～式（3），可計(jì)算得出：

同理可得SSB=485；SSC=58；SS空列=21。

自由度：dfA=dfB==dfC=df空列=3-1=2

方差：，MSA=SSA／dfA=956／2=478同理：

根據(jù)以上計(jì)算，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，列出方差分析表，結(jié)果見表5。

表5 方差分析表Table 5 The variance analysis data

從上表的顯著性分析可以看出，因素A高度顯著，因素B顯著，因素C不顯著。因此三因素的主次順序?yàn)椋篈＞B＞C，即倒棱角＞刀尖圓弧半徑＞后角，這與前面的極差分析結(jié)果相一致。

為了證明本次正交試驗(yàn)的結(jié)果可以作為刀具設(shè)計(jì)的有效參考，對第9號(hào)樣刀重新刃磨兩次，進(jìn)行切削對比試驗(yàn)，結(jié)果每次的刀具壽命為71min和83min，符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)論。因此，可以確定合理的刀具幾何參數(shù)為刀尖圓弧半徑0.8mm，倒棱角度為-15°，刀具后角為6°，此時(shí)刀具的壽命最長。

從圖1曲線對比中可以看出，刀具在負(fù)倒棱前角為-20°和-10°時(shí)，后刀面的磨損較為嚴(yán)重；當(dāng)?shù)毒哓?fù)倒棱角度為-15°時(shí)，刀具后刀面磨損量較小，刀具壽命相對較長。相比之下，負(fù)倒棱前角在-20°時(shí)刀具的后刀面磨損更大一些。在刀具后刀面磨損到一定值時(shí)，負(fù)倒棱前角為-15°的刀具累計(jì)切削時(shí)間大概為-20°時(shí)的兩倍左右。由以上分析可知，當(dāng)?shù)估饨菫?15°時(shí)，刀具的累計(jì)切削時(shí)間最長，即此時(shí)刀具的使用壽命最長。

3 試驗(yàn)分析及討論

在刀具切削過程中，由于倒棱實(shí)際起著前刀面的作用，切削主要集中在倒棱區(qū)域，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)中的金屬切削過程Fig.2 The metal cutting process in experiments

當(dāng)?shù)估饨沁m量增大時(shí)，切削力也隨之增大，但由于切削刀具與工件之間接觸面積增大，刀具與工件間產(chǎn)生大量切削熱，使得切削溫度升高，金屬的軟化速度和程度都有所加大，切削力大幅度變小。筆者認(rèn)為在負(fù)倒棱前角為-20°時(shí)，實(shí)際是把刀具磨出一個(gè)20°的負(fù)前角，由于前角過大，增大了切削過程中的切削力和切削溫度，致使刀具磨損加快，提前達(dá)到刀具的使用壽命。而當(dāng)取-10°的負(fù)倒棱前角時(shí)，磨損反而比-15°快的原因，可能是由于在-10°時(shí)，切削溫度沒有使工件表面被切削層達(dá)到金屬軟化溫度，未能使工件表面硬度明顯降低，加劇了刀具的磨損，而負(fù)倒棱為-15°時(shí)，刀具的耐磨性最好，使用壽命最長。

J.M.Zhou［10］等人認(rèn)為倒棱刀具在切削過程中，刀具表面的應(yīng)力可以分解為垂直于刀具切削部分表面的壓應(yīng)力以及平行于刀具切削部分表明的剪應(yīng)力，而壓應(yīng)力在倒棱底部處達(dá)到最大值。因此有在倒棱底部的棱角處磨出圓弧，以減少此處在切削過程中因應(yīng)力集中而引起的刀具磨損。國外己經(jīng)有研究人員開始了這方面的刀具幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，但由于試驗(yàn)的條件所限，本次試驗(yàn)未對這方面做深入的研究。

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