微織構PCBN刀具切削Cr12MoV冷作模具鋼試驗研究

趙明，趙雙悅，馬春露，魯政熙

（長春大學機械與車輛工程學院，吉林 長春 130022）

在汽車制造中70%左右的金屬零部件需要沖壓加工成型，加工一輛普通民用轎車平均需要約1400～1500個沖壓件。這些沖壓件的批量加工制造都離不開模具，特別是汽車模具行業常用的冷作模具。而在汽車冷作模具中，沖頭是一個重要的模具配件，車大梁、車身上的安裝孔都需要使用沖頭。沖頭的公差和壽命直接影響了沖壓件的質量和生產成本。

沖頭的材質選擇上以高速鋼為主，常用的材料有Cr12、Cr12MoV、ASP23、SKD11、SKD51、SKD61等。 模具沖頭的加工主要以車削加工為主，車削質量直接影響了沖頭的加工質量并影響到沖頭的使用壽命。

樂祺中等在研究鎳基高溫合金GH4169切削時，在CNMG190608-DM刀具的前刀面距離主切削刃0.2mm處置入不同間距、寬度、角度的溝槽型微織構，使用有限元切削仿真軟件研究了不同的織構參數對切削力和切削溫度的影響規律，發現織構角度對切削力和切削溫度影響顯著，特別是當溝槽平行于切屑刃時，降溫減摩的效果顯著。

徐明剛等在研究溝槽型微織構刀具切削性能時，在YG8刀具的前刀面上置入矩形截面的溝槽，溝槽寬度為100μm，間距100μm，深度為50μm，使用有限元仿真軟件ABAQUS研究了微織構刀具在切削液流體動壓射流工況下的切削性能。結果表明：在切削液和微織構雙重作用下，工件的正應力和應變速率得到改善，刀具前刀面的應力分布得到改善，切削中的瞬時高溫也得到緩解。之后，使用飛秒激光技術加工出微織構PCD、YG8刀具，在干切削和切屑液潤滑兩種情況下進行6061鋁合金切削試驗。試驗表明：切削液流場和微織構的存在改善了刀-屑摩擦，減小了刀具磨損量。

1 試驗

1.1 試件材料

本次試驗采用的工件材料為Cr12MoV冷作模具鋼。工件直徑為50mm，長度為250mm。

1.2 車削刀具

本次切削實驗中選用的PCBN刀片型號為CNMG120408。PCBN刀具的實際車削加工時刀具前角γ0= ?6o,后角

1.3 微織構刀具制備

采用激光打標機加工刀具表面的微織構。激光加工方法能量密度高、加工可控性好、加工速度快、易實現精密加工。設計并制備出如圖1所示三種微溝槽刀具，溝槽寬度約為70μm，深度約為60μm。溝槽與主切削刃的刃邊距為0.15mm，溝槽之間的間距為0.30mm。

圖1 三種微溝槽刀具

1.4 數據采集設備及處理方法

試驗采用Kistler 9527B型測力儀進行三向切削力的測量，其配套軟件可以進行區間內數據分析的功能，可以分析出區間內切削力的最大值、最小值和平均值。觀察發現，在刀具未切削工件時，切削力并不在零點，也就是說存在零漂現象。

為了減少零漂誤差，選擇穩定切削區間作為取樣區間，將該區間內三向切削分力平均值減去零漂區間內三向切削分力平均值作為測量值。取樣頻率為3000Hz/s，因此測量結果準確性好。

1.5 試驗方案

PCBN刀具半精車時宜采用較低的切削速度、較大的進給量和恰當的背吃刀量。設計半精車切削正交試驗，以切削過程中產生的切削力小為主要目標，選取合理的切削用量，作為后續微織構PCBN刀具試驗的切削用量。試驗采用L9（33）三因素三水平的正交試驗，半精車正交切削具體方案見表1。本文所有切削都在普車CA6140-A車床上進行。

表1 半精車正交切削方案

正交切削試驗完成后，通過極差法對切削力正交實驗結果進行主效應分析，確定最佳切削用量。在該切削用量條件下，分別使用無織構普通刀具和三種微織構刀具在沒有填充MoS2固體潤滑劑和填充MoS2固體潤滑劑兩種條件下進行對比切削試驗，以研究微織構對切削力的影響規律。

2 試驗結果與分析

2.1 最佳切削用量

通過極差法對切削力正交實驗結果進行主效應分析，結果見表2。表中為i水平的平均值。從上表可以看出對切削力影響最大的是背吃刀量，其次為進給量，切削速度對其影響最小。隨著切削速度的提高，三向切削力以及合力都減少。這是因為切削速度提高，切削溫度升高，摩擦系數下降，從而使變形系數減小。在實驗范圍內，最優切削速度為113m/min。隨著進給量的增大，切削合力增大，因此，在實驗范圍內，最優進給量為0.20mm/r。隨著背吃刀量的增大，切削合力卻先增大后減少，這一點與其他研究者的結論并不一致。出現這種情況的原因是正交試驗過程中，有些切削用量組合不合適，導致切屑堆積對結果造成干擾。

表2 切削力極差分析

為了進一步確定最優背吃刀量，采用單因素試驗進行進一步研究。試驗采用切削速度為113m/min，進給量為0.20mm/r，背吃刀量分別為0.20mm、0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.40mm。由圖2單因素試驗的切削力可以看出，隨著背吃刀量的增大，三向切削力以及切削合力都呈增大趨勢。因此，在實驗范圍內，最優的背吃刀量為0.25mm。

2.2 圓弧槽刀具切削力

試驗發現：無潤滑圓弧槽刀具的切削力比無織構刀具的切削力要??；自潤滑圓弧槽刀具的切削力比無織構刀具的切削力要小，但比無潤滑圓弧槽刀具的切削力要大。無潤滑和自潤滑的圓弧槽刀具的切削力要低的主要原因是圓弧槽微織構減少了前刀面和切屑的接觸面積，從而降低了切屑與前刀面的摩擦力，使切削力減少。自潤滑圓弧槽刀具比無潤滑圓弧槽刀具的切削力要大，是因為切削過程中，固體潤滑劑的填充導致刀具前刀面的散熱條件急劇惡化，摩擦熱來不及傳導，使得切削溫度升高，切削力增大。相比于無織構刀具，無潤滑的圓弧槽刀具的進給抗力、切深抗力、主切削力分別減少了24.71%、13.91%、15.46%。

2.3 垂直槽刀具切削力

試驗發現：無潤滑垂直槽刀具的切削力比無織構刀具的切削力要小；自潤滑垂直槽刀具的切削力比無織構刀具的切削力只略微小了一點，比無潤滑垂直槽刀具的切削力要大很多。無潤滑垂直槽和自潤滑的垂直槽兩種刀具的切削力較低原因同圓弧槽相似。自潤滑垂直槽刀具比無潤滑垂直槽刀具的切削力要大，原因同圓弧槽相同；此外，切削過程中，發現切屑的流向與垂直槽夾角較大，填充了固體潤滑劑的垂直槽對切削的二次切削也導致了其切削溫度的升高和切削力的增大。相比于無織構刀具，無潤滑的垂直槽刀具的進給抗力、切深抗力、主切削力分別減少了12.53%、7.77%、9.60%。

2.4 平行槽刀具切削力

試驗發現：無潤滑平行槽刀具的切削力比無織構刀具的切削力要?。蛔詽櫥叫胁鄣毒叩那邢髁Ρ葻o織構刀具和無潤滑平行槽刀具的切削力都小。無潤滑和自潤滑的平行槽刀具的切削力要低的主要原因同圓弧槽和垂直槽相同。與其他兩種微織構不同的是：自潤滑平行槽刀具比無潤滑平行槽刀具的切削力要小，是因為平行槽與切屑流向夾角較小，切屑在前刀面流動的過程中，會拖動粉末狀的潤滑劑，促使其析出，使固體潤滑劑充分成膜，充分發揮潤滑作用。切削過程中，發現自潤滑平行槽刀具的切屑為穩定的帶狀切屑。切屑的順利流動，也及時帶走了切削熱。

相比于無織構刀具，自潤滑的平行槽刀具的進給抗力、切深抗力、主切削力分別減少了22.98%、16.18%、15.33%。

2.5 三種微織構切削性能總結

前文研究發現：無潤滑圓弧槽刀具、無潤滑垂直槽刀具、自潤滑平行槽刀具能夠有效降低切削過程中的切削力。橫向對比一下三者降低切削力的幅度，結果如表3所示。由表中可以看出，無潤滑垂直槽刀具與其他兩者差距明顯；而無潤滑圓弧槽和自潤滑平行槽刀具的主切削力降幅基本相同，無潤滑圓弧槽刀具的進給抗力降幅略大于自潤滑平行槽，但進給抗力是三向切削力中較小的分力，對刀具強度和使用壽命影響不大；而自潤滑平行槽刀具的切深抗力降幅小于無潤滑圓弧槽，因此，從降低切削力和的角度來講，三種刀具中，自潤滑平行槽刀具最優，無潤滑圓弧槽次之。

表3 微織構PCBN刀具切削力降幅

由于在批量生產過程中，自潤滑平行槽需要經常添加固體潤滑劑，增加了人工成本，也降低了生產效率。因此，在無法機械化填充固體潤滑劑之前，無潤滑圓弧槽是最佳的選擇。