PCBN刀具銑削灰鑄鐵HT200的試驗研究

徐媛媛

（廣西工業職業技術學院，南寧 530001）

0 引言

超硬刀具PCBN在連續切削方面的研究已取得了較大進展。但是，由于PCBN刀具抗彎強度低、耐沖擊能力差，使其在斷續切削方面的應用受到了限制。在斷續切削中，選擇合理的切削用量，防止刀具破損，對提高PCBN刀具使用壽命有著重要意義。

本文采用PCBN刀片銑削灰鑄鐵，采用單因素試驗法對切削速度進行優化，并研究切削速度對PCBN刀具磨損的影響，以期為其他使用者提供參考依據。

1 試驗條件

工件材料為HT200(HBS170～240)，在X53K立銑床采用單齒對稱銑削。刀具幾何參數為：0＝-6°，s＝-7°，0＝8°，r＝75°，倒棱0.1mm，刀片尺寸為16mm× 16mm；銑刀盤直徑：Φ125mm。

2 T-VC關系試驗

當工件材料、刀具材料和刀具幾何參數確定后，在銑削用量中對刀具耐用度T影響最大的是銑削速度VC。增大切削速度，刀具耐用度T就降低。選擇合理的切削速度，可以提高刀具使用壽命。

本文采用單因素實驗法，固定進給量和背吃刀量（fz＝0.2mm/z, asp＝0.4mm），改變切削速度，研究切削速度與刀具耐用度的關系，6檔切削速度VC分別為：147.3m/min，186.5 m/min，235m/min，294.5 m/min，373 m/min，463.15 m/min。PCBN刀具銑削HT200的T-VC關系曲線如圖1所示。

圖1 PCBN刀具銑削HT200的T-VC關系曲線

從圖1可知，PCBN刀具銑削灰鑄鐵并不遵守泰勒公式，其本身特有的規律是刀具壽命曲線彎曲。在給定的6檔切削速度范圍內，銑削的速度VC=235m/min時，PCBN刀具耐用度最長為8.78min。

在VC＞235m/min時切削，隨著切削速度的增大，刀具耐用度是下降的。在速度低于235m/min切削時，刀具耐用度的變化趨勢與切削速度大于235m/min的切削情況同。

但除了VC＝235m/min這檔切削速度外，其余5檔切削速度（147.3m/min，186.5 m/min， 294.5 m/min，373 m/min，463.15 m/min）與刀具耐用度呈直線關系，即銑削速度增大，刀具耐用度下降。

3 PCBN刀具磨損規律試驗

超硬刀具PCBN隨著切削時間的增加，銑削灰鑄鐵過程中刀具也會發生磨損。研究切削速度對PCBN刀具銑削HT200耐用度的影響，同時也要伴隨著進行切削速度對PCBN刀具銑削HT200的主、副后刀面的磨損影響試驗。

磨損試驗取刀片的磨鈍標準為VBmax＝0.2mm，改變切削速度，隨著切削時間t和切削行程L的增加，記錄下主后刀面磨損值VB和副后刀面的磨損值VB'。通過繪制、分析刀具磨損曲線，探討PCBN刀具銑削灰鑄鐵的磨損機理。

3.1 主后刀面、副后刀面磨損與切削時間關系試驗

PCBN刀具的主后刀面磨損量與切削時間VB-t關系曲線如圖2所示， 由圖2關系曲線可知：

1）由于PCBN刀具具有耐磨性高的特點，考慮PCBN刀具主要應用于精加工，因此刀具的后刀面的磨鈍標準取小值為VBmax＝0.2mm。PCBN刀具的后刀面磨損曲線呈現為兩個階段：初期磨損和正常磨損階段，并沒有出現劇烈磨損階段。各磨損曲線均顯示，主后刀面的磨損比較均勻，磨損較慢。

圖2 主后刀面的VB-t關系曲線圖

2）一般來說，切削速度越低，刀具磨損越慢，而PCBN刀具并非如此，在相對中等大小切削速度VC3＝235m/min下切削灰鑄鐵，PCBN刀具的主后刀面磨損為最慢，在達到磨鈍標準VBmax＝0.2mm之前，它經歷的切削時間最長，其刀具耐用度數值最大。

3）其余的5檔切削速度（147.3m/min，186.5 m/min，294.5 m/min，373 m/min，463.15 m/min）下的磨損狀況，主后刀面的磨損快慢相當。無論在相對高速切削(VC＞235m/min)還是相對低速切削（VC＜235m/min）時，在磨損初期各曲線情況接近(尤其在VC4＝294.5m/min、VC5＝373m/min下切削的刀具磨損前期)，但磨損中期表現為速度越高者，磨損越快。

4）切削速度不同，達到磨鈍標準的切削時間t 不 同，t3＞t1＞t2＞t4＞t5＞t6， 即： 當 以 速 度 VC3＝235m/min切削HT200，主后刀面的磨損最慢，切削時間為最長，以VC1＝147.3m/min速度切削次之，而高速VC6＝463.15m/min達到磨鈍標準的切削時間最短。

副后刀面磨損量與切削時間VB'-t關系曲線如圖3所示。由圖3的副后刀面VB'-t關系曲線可知：最接近理想刀具磨損曲線的是切削速度VC3＝235m/min時的磨損曲線，磨損均勻，切削時間最長，且磨損情況和高速度下的主后刀面磨損情況的相似；以速度為VC5＝373m/min銑削HT200，副后刀面的磨損隨著時間的增加比其它速度的磨損稍快；分別以186.5m/min、294.5m/min和 465.15m/min速度銑削時，副后刀面的磨損曲線相似。總體來看，副后刀面磨損變化趨勢與主后刀面的基本相同。

圖3 副后刀面的VB'-t關系曲線圖

3.2 主后刀面、副后刀面磨損與切削行程關系分析

主后刀面、副后刀面磨損量與切削行程關系曲線分別如圖4、圖5所示。

由圖4的主后刀面的VB-L關系曲線可知：PCBN刀具達到相同的磨鈍標準之前，高速為 VC6＝463.15m/min銑削時，主后刀面的磨損值與行程近似成正比，且后刀面的磨損速度為最慢，切削行程最長。在速度為VC5＝373m/min和VC3＝235m/min時，兩磨損曲線的切削行程也比較長。切削速度為VC1＝147.3m/min時，切削行程為最短。即切削速度越低，切削行程則越短，速度越高，行程越大。采用PCBN刀具切削灰鑄鐵是可以提高金屬切除率和加工效率的。

由圖5的副后刀面的VB'-L關系曲線也得出，采用的切削速度最高為VC6＝463.15m/min時，刀具的副后刀面磨損量最均勻，切削行程為最長達2972m。 速 度 為 235m/min、294.5m/min 、373m/min時的副后刀面磨損曲線在前期幾乎重合，切削行程約在2000m左右達到磨鈍標準。速度越低，切削行程越短，速度為147.3m/min到達磨鈍標準時的切削行程僅為1178m。

圖4 主后刀面的VB-L關系曲線圖

圖5 副后刀面的VB'-L關系曲線圖

從圖4和圖5磨損量與切削行程關系曲線分析可知，主、副后刀面磨損規律“反常”——切削速度越高，磨損線的斜率越小，切削行程越長，磨損的變化越是緩慢。究其原因，可用“高速切削”機理來解釋：高速切削時，切削熱的多被切屑帶走，熱量傳遞給刀具的比例降低，使切削溫度降低，致使刀具磨損減緩。因此， PCBN刀具是高速銑削灰鑄鐵的理想材料。

3.3 PCBN刀具銑削HT200磨損原因初探

銑削灰鑄鐵金相組織若含有鐵素體較多時，PCBN刀具會發生擴散磨損，刀具在前刀面形成月牙洼磨損。本試驗加工的HT200為珠光體型的鑄鐵，PCBN刀具磨損主要發生在刀具的后刀面而不是在前刀面，故磨損的主要原因不是擴散磨損，其磨損形式為機械磨損。

在較低速度下切削，后刀面刀具磨損較均勻，值得注意的是，當切削速度較高為VC5＝373m/min和VC6＝463.15m/min時，刀具主切削刃出現一些凹凸點，原因可能為：銑削為斷續切削，刀齒切入和切出時都產生沖擊，且鑄鐵為脆性材料，在切削過程中，產生的切屑呈崩碎狀，高速銑削下，切屑會對刃口產生很大的交變載荷，造成了PCBN刀具中粘結劑的磨損，使得CBN顆粒的凸起或松動脫落。另外一種原因可能是，刀具在制造過程中，要往添加劑或觸媒劑中擴散一些雜質元素（如Si、Ca、Cu等）。這些雜質元素分布于晶界之間，強度相對較弱，而切削鑄鐵產生崩碎切屑時，切削區的溫度在刃口附近較高，在熱和沖擊力的作用下，PCBN刀具在強度較弱的地方發生了微小晶粒的脫落，形成了PCBN刀具的微裂解磨損。這兩種磨損的形成，與銑削過程中切削力的波動、銑削沖擊及刀具成分、刀具制造都有密切關系。

4 結論

1）PCBN銑削灰鑄鐵時并不遵守泰勒公式。其T-VC關系曲線彎曲。除了VC＝235m/min外，PCBN銑削灰鑄鐵的切削速度與刀具耐用度T之間仍呈線線關系，隨著切削速度的增加，刀具耐用度減小。

2）在本文實驗條件下，VC＝235m/min時刀具耐用度最長。考慮經濟耐用度，PCBN銑削灰鑄鐵切削速度可為200～250m/min。

3）PCBN刀具銑削HT200主要磨損機理為機械磨損，也伴隨著粘結劑磨損或微裂解磨損。

[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.

[2] Mark Deming. PCBN Turns Gray Cast Iron Cutting Tool[J]. Enginerring, 1994, 99(6): 98-103.

[3] 劉書鋒, 聶建軍. 整體PCBN刀具高速銑削發動機缸體缸蓋的應用[J]. 工具技術. 2010, 44(12): 60-63.

[4] 朱從容, 王魄. 整體PCBN刀片高速切削灰鑄鐵的研究[J].現代制造工程. 2002, 45(5): 56-58.