PCBN刀具在硬車削中的磨損分析

孫輝

機械工業第九設計研究院股份有限公司 吉林長春 130011

1 序言

硬車削是一種發展中的技術，與磨削相比有許多優點。為了提高這項技術的可實施性，必須解決有關該生產工藝滿足工件表面粗糙度和完整性要求的問題。此外，此工藝的經濟性，與刀具磨損模式和壽命密切相關。

如果硬車削所需的脆性刀具使用不當，硬車削的經濟效益會因刀具快速磨損或刀具過早失效而下降。即使是穩定的、漸進的刀具磨損也會因切削力、殘余應力，以表面再硬化層（通常稱為白層）的形式而導致微觀結構發生變化。該領域的研究通常集中在選擇合適的刀具材料上，結果表明CBN（立方氮化硼）刀具的性能優于碳化物或氧化鋁刀具。在適當的條件下，CBN刀具可以很好地平衡其昂貴的初始成本和長刀具壽命。然而，刀具的側面磨損影響了白層的深度，也縮短了刀具的使用壽命。因此，如果不能更好地了解CBN刀具的磨損對工件表面質量的影響，硬車削的實施將受到限制。

2 試驗條件

選取了17個不同的PCBN（人造聚晶立方氮化硼）切削刀片在整個壽命周期內在不同切削條件下進行硬車削。試驗數據表顯示，測試的4種不同PCBN刀具來自2個不同刀具供應商，分別是高CBN含量和低CBN含量。兩刀具供應商分別被稱為甲和乙，試驗條件涵蓋了刀具供應商提供的推薦值范圍。

所有的加工試驗都是在哈挺公司Conquest T-42 SP車床上完成。被加工材料為AISI 52100鋼，硬度58～62HRC。切削刀片幾何形狀為80°菱形，20°邊緣倒角0.1 mm。刀柄提供－5°側前角和后前角，以及5°側刃和端刃角。試驗內容為對同一根硬化管坯分段進行車削，對同一段管坯每次車削長度為2.54 cm，試驗管坯（見圖1）直徑依次減小，車削20次后，該段管坯被線切割掉，接下來開始下一段管坯的車削。切削前用氧化鋁刀片去除熱處理后的氧化層，以便在干凈的表面上進行所有試驗。使用光學顯微鏡和ZYGO顯微鏡，定期進行刀具測量。

圖1 試驗管坯

3 試驗結果分析

3.1 刃口磨損

在硬車削中，刃口是刀具壽命的關鍵。由于硬車削刀具所用材料脆性好，其邊緣堅固，所以幾何形狀有助于防止刀具過早損壞，但一旦有刃口切邊形成則會加速刀具磨損。這種情況會因大切削載荷和硬車削的負前角而放大。現在刀具供應商會用磨光邊緣倒角來強化邊緣切削刃，這有助于提高刀具的壽命。

在硬車削方面的研究表明，刃口處理會影響硬車削中的切削力、殘余應力和白層。因為進給量和背吃刀量都很小，以至于切削發生在刀具的刀尖半徑上，而且通常只發生在刃邊倒角上。刀具磨損前后對比如圖2所示。圖2b所示為磨損的弧坑區域。

圖2 刀具磨損前后對比

由于刃口處理會影響刀具磨損和零件表面質量，因此測量切削刃幾何外形在刀具壽命期間的變化情況非常重要。圖3為刀具刃口的二維剖面圖變化輪廓，此圖清楚地顯示了切削刃外形的巨大變化。磨損后的刀具與磨損前相比，由于前角從正值變為大負值，所以切削刃尖端的角度比初始切削刃弱，這是刀具斷裂的區域。通過這個試驗觀察測量可以得出刀具磨損外形剖面圖，為下一步測量刀具磨損區尺寸及預測刀具失效時間打下基礎。

圖3 刀具刃口的二維剖面

3.2 側面磨損與刀具壽命預測計算

對刀面磨損量進行量化非常重要，圖4顯示了刀具磨損前后切削刃三維表面圖像，測量圖4b磨損數據，可以獲得二維剖面圖（類似于圖3），可用于測量側面磨損的寬度。

圖4 刀具磨損前后刀具側面狀態

根據切削時間和側面磨損測量值繪制的對應關系如圖5所示。

圖5 刀具的側面磨損測量值與切削時間的對應關系

刀具的側面磨損量可用式（1）計算

式中，VB是側面磨損量（μm）；t是累積切削時間（min）；a和b都是特定刀具材料和切削條件組合的常數。

從圖5可以看出，在大多數切削條件下，后刀面在開始階段磨損非常迅速，當側面磨損在150～200μm時，大多數刀具失效。通過圖5中的特定刀具在不同切削條件下的線性回歸數據，可以計算出常數a和b，得出這種刀具的磨損和切削時間關系的公式，這個公式是一種預測失效時間的簡單方法。預計磨損量在超過150μm的情況下刀具會失效，利用式（1）可以計算出切削刀具的使用壽命。這是一種在合理切削范圍內預測后刀面磨損量或刀具壽命的方法。

3.3 切削參數及刀具材料對刀具壽命影響

刀具失效都是在刀具上發現刃口斷裂時或側面磨損超過200μm時確定的。選擇200μm是因為大多數刀具的側面凹地測量值在150～200μm。需要注意，失效標準是明顯的邊緣斷裂。但是，盡管邊緣斷裂，許多刀具還可以用于更多的加工。

在刀具壽命數據中有幾個值得注意的趨勢，最明顯的是在切削速度為91.4 m/min的條件下，刀具壽命顯著提高。無論刀具材料、刀具供應商或背吃刀量如何，這一點都成立。增加進給量的效果則較復雜，就使用刀具去除的材料量而言，增加進給量對供應商甲的高CBN含量刀具壽命有不利影響，對于供應商甲的低CBN含量刀具和兩種等級的乙供應商刀具，這種趨勢卻是相反的，增加進給量實際上會少量地提高刀具壽命。因此，對于大多數CBN牌號，進給量的增加減少了刀具的使用壽命，但實際上增加了刀具可以去除的材料量。后者是一個更合理的刀具壽命指標，因為它直接關系到在給定的背吃刀量下可以用刀具加工的零件數量。

根據以上分析得出結論：為了提高刀具壽命，通常應選擇較低的切削速度，同時增加進給速度。由于材料去除率與進給速度和切削速度呈線性關系，因此將切削速度減半，同時將進給速度加倍，可保持相等的去除率。但可接受的進給速度有限制，這是由刀具所能承受的切削載荷而又不發生斷裂的能力決定的。

通過測量高CBN含量和低CBN含量的刀具壽命，發現使用低CBN含量刀具進行切削具有優勢，其原因是：在低CBN含量刀具中使用的陶瓷黏合劑，其黏結強度增加會使刀具壽命延長，同時，陶瓷黏合劑還提供了一種復合刀具材料，與高CBN含量刀具100 W/（m·K）熱導率相比，其熱導率＜45 W/（m·K）。如果假設切削產生的大部分熱量（80%～90%）被切屑帶走，那么剩余的熱量必須進入工件或刀具。較低的熱導率降低了進入刀具的熱量，這有利于軟化工件并通過降低刀具溫度提高刀具的耐磨性。

4 結束語

硬車削是一種新興技術，由于生產率高、靈活性高、投資少和環保費用低，所以有可能取代許多磨削作業。但對硬車削中使用的脆性刀具的磨損和失效的研究有限，是阻礙該技術進一步應用的最大障礙之一。為了解不同CBN牌號的磨損行為和使用壽命，采用四種不同刀具材料對17種切削條件下的試驗基體進行了全壽命研究。研究結果表明，切削速度對刀具壽命的影響大于進給速度或背吃刀量。CBN刀具進行硬車削時，通過降低切削速度并保持合理的進給速度和背吃刀量，延長刀具的壽命并且使刀具在壽命周期內的材料去除量成倍增加，降低加工成本。

通過對不同CBN含量刀具切削試驗對比，發現低CBN含量刀具具有明顯的硬切削優勢，這對刀具及其切削參數的選擇具有很好的借鑒參考意義。