PCBN刀具硬態旋風銑削切屑宏觀形貌研究*

朱紅雨 李 迎

(①南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094;②南京化工職業技術學院，江蘇南京210048)

硬態旋風銑削技術是高速硬加工技術與旋風銑削技術相結合的一種集高效、精密、節能為一體的先進制造技術，該技術可以對硬度60 HRC以上的滾珠絲杠和滾珠螺母實施硬銑削，以切代磨實現一體化加工、免去磨削和熱處理工序，同時以干切削或少切削液實現綠色加工，是國外精密螺紋高效制造的主要工藝方法，目前受到國內外研究者的普遍關注。

金屬切削過程實際上是材料被去除形成切屑的過程。在硬態旋風銑削加工中，主要產生的是鋸齒狀切屑。這種鋸齒狀切屑可以導致切削力高頻率地周期變化波動，而且會增加刀具磨損速率，降低加工表面質量，所以研究鋸齒狀切屑的形成機理及其與工件材料、切削條件之間的關系就顯得至關重要［1］。早期由Komanduri等人(1982年)提出的絕熱剪切理論，認為產生鋸齒狀切屑主要是切削速度達某一臨界值時由切屑內部局部應力的突變所造成的。而Shaw等人(1998年)提出的周期脆性斷裂理論，認為產生鋸齒狀切屑主要是從切屑自由表面向切削刃擴展一半距離的周期性整體斷裂所形成的。目前對鋸齒狀切屑的形成機理尚無統一的認識［1］。針對這兩種不同的理論體系，國內外許多學者一直在積極地探索，蔡玉俊等人對30CrNi3MoV淬硬鋼(48 HRC)的切屑形成機理進行了切削實驗研究，研究結果表明鋸齒狀切屑的臨界切削條件實驗曲線與絕熱剪切臨界切削條件的理論曲線基本吻合，認為鋸齒狀切屑產生的根本原因是主剪切區內熱軟化超過應變硬化的結果［3］。Raja Kountanya等人對100Cr6軸承鋼(60 HRC)的切屑形成機理進行切削實驗研究和仿真分析，得出的結論是周期脆性斷裂理論在硬切削中占主導地位，由于實驗過程中出現切削力隨切削速度增大而減小的現象，絕熱剪切理論的熱軟化作用也是存在的［4］。

以上鋸齒狀切屑的研究總體而言都是針對切屑微觀形貌進行的分析，而旋風銑削切屑不僅在微觀上呈現出鋸齒狀(圖1)，即使在宏觀形貌上也呈現出鋸齒狀(圖2)。

宏觀鋸齒與微觀鋸齒有本質區別:一是觀察角度不同，微觀鋸齒狀切屑觀察面為切屑的橫截面(見圖2:xz平面)，宏觀鋸齒狀切屑觀察面為切屑的兩個自由邊(見圖2:xy平面)，兩平面相互垂直;二是觀察方法不同，微觀鋸齒狀必須借助掃描電鏡或高倍顯微鏡才能觀察到，而宏觀鋸齒狀直接用肉眼即可觀察到;三是形成機理不同，切屑微觀鋸齒狀形成機理前已述及，宏觀鋸齒狀切屑是在加工的過程中切屑自由邊厚度小于切屑中間厚度，當材料的工作應力大于許用應力時形成的。因此，微觀鋸齒狀切屑與宏觀鋸齒狀切屑具有本質的區別，絕不可籠統地不加前提地提鋸齒狀切屑。目前，針對旋風銑削切屑宏觀形貌的分析鮮有報道，但實際加工中，由于受到加工條件的限制，切削力、切削溫度和加工表面粗糙度等切削性能指標都不容易獲得，且其準確性、可靠性都值得研究，而切屑易采集、易觀察，且隨著切削參數的變化而變化。因此，本文通過對滾動軸承鋼(平均硬度為63.5 HRC)旋風銑削的工藝實驗研究，給出了幾種典型宏觀切屑的形狀及其產生的條件，分析了宏觀鋸齒狀切屑鋸齒程度與工藝參數的關系，為建立硬態旋風銑削加工過程在線監控提供了一種新的方法。

1 實驗條件與方法

實驗在漢江機床廠研制的8 m大型數控旋風銑機床上進行，如圖3所示。工件材料為淬硬鋼(平均硬度為63.5 HRC)，尺寸為φ80 mm×10 mm×4 000 mm(其中螺紋長3 210 mm);刀具材料為聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，前角 -8°，倒棱15°×0.1 mm;刀頭數z=4把;刀盤刀尖旋轉直徑為90 mm，設定夾緊間距為85 mm;銑削方式為順銑;壓縮空氣冷卻。

實驗方法為單因素試驗，分別對切削線速度和切削深度進行兩組單因素試驗研究，實驗方案見表1。每組試驗在采集切屑的同時，記錄主電動機輸入功率，測量工件的表面粗糙度，并觀察工件振紋是否明顯。

表1 實驗方案

2 鋸齒狀切屑宏觀形貌分析

2.1 旋風銑切屑的形成

旋風銑是一種帶沖擊性的斷續切削。圖4所示為旋風銑削切屑形成原理圖，切入時切削厚度由小變大，切出時切削厚度由大變小，切削最終表面時切削厚度很小。所以加工表面質量比普通銑削質量高，但由于切削力引起工藝系統較大的振動，從而對加工精度有很大的影響。

2.2 旋風硬銑切屑幾種主要的宏觀形貌

切屑的宏觀形貌是指不借助研究工具，直接用肉眼觀察到的切屑形貌。旋風硬銑切屑形狀主要為“C”型，但會隨刀具結構和涂層不同，有較大變化。表2為3種PCBN刀具在相同加工參數下形成的切屑。就鋸齒狀“C”型切屑形貌而言，隨切屑厚度、寬度的不同，自由邊的鋸齒大小也不同，故在同一根切屑上可以觀察到不同的切屑形貌。

2.3 宏觀切屑形貌隨切削條件的變化關系

表3為ap=0．06 mm，v從 120 m/min到 240 m/min的單因素試驗結果。當v≤180 m/min時，宏觀鋸齒程度明顯;當v≥200 m/min時，隨著v的提高，宏觀鋸齒程度越來越弱。圖5為主電動機輸入功率隨切削線速度變化的曲線。當切削線速度高于180 m/min時，主電動機輸入功率明顯下降。由此可見，宏觀切屑鋸齒程度變化情況反應了主電機輸入功率的變化，并間接地為切削力的變化提供依據。

表4為v=180 m/min，ap從0.03 mm 到0.12 mm的單因素試驗結果。當ap=0.03～0.06 mm時，宏觀鋸齒程度由弱變強;在ap=0.07 mm時，宏觀鋸齒程度最輕，之后程度略有加強。圖6為主電動機輸入功率隨切削深度變化的曲線。該曲線在切削深度為0.07 mm時主電動機輸入功率有一個明顯的降低，之后又隨切削深度的增加而略有增大;該變化幾乎與宏觀切屑鋸齒程度變化完全一致。

同時，切屑的宏觀鋸齒程度與被加工工件表面振紋的程度也完全吻合，即切屑的宏觀鋸齒程度越嚴重，其工件表面振紋越明顯。這進一步說明了切屑的宏觀鋸齒化程度可以為切削功率、切削力和工藝系統的振動情況提供很好的依據。

3 結語

(1)提出了鋸齒狀切屑的微觀形貌和宏觀形貌在觀察角度、觀察方法和形成機理上存在本質區別，說明絕不可籠統地不加前提地提鋸齒狀切屑;

(2)分析了硬態旋風銑削幾種典型宏觀切屑形貌特征和產生的工藝條件，不同刀具獲得的切屑形貌顯著不同;

(3)通過實驗研究表明:隨切削速度的提高，切屑宏觀鋸齒化程度減弱;隨切削深度的增大，切屑宏觀鋸齒化程度先增強后減弱，在切削深度0.06 mm時鋸齒化程度最嚴重;

(4)切屑宏觀鋸齒化程度與主電動機輸入功率、工件表面振紋的變化完全一致，說明了切屑的宏觀鋸齒化程度可以為切削功率、切削力和工藝系統的振動情況提供很好的依據;

(5)本文的研究成果，為通過切屑建立硬態旋風銑削加工過程在線監控提供了一種新的方法。

［1］艾興.高速切削加工技術［M］.北京:國防工業出版社，2003.

［2］黃祖堯.CNC螺紋旋風硬銑削——高效綠色制造技術［J］.機械工人.2004(9):26-28.

［3］蔡玉俊，等.高速切削30CrNi3MoV淬硬鋼切屑形成機理的實驗研究［J］.機械強度，2009，31(3):387-390.

［4］Raja Kountanya，et al.Effect of tool edge geometry and cutting conditions on experimental and simulated chip morphology in orthogonal hard turning of 100Cr6 steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(11):5068-5076.

［5］Mahnama M，Morahhedy M R.Prediction of machining chaffer based on FEM simulation of chip formation under dynamic conditions［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2010，50(7):611-620.