PcBN刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究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，有時為了避免過大的拉應(yīng)力使刀尖承受機械沖擊，通常采用負前角。PcBN復(fù)合片脆性比硬質(zhì)合金要大，因此在刀具設(shè)計時要著重考慮刀刃及刀尖強度問題。通常要進行刃口強化，一般正常的刃口強化帶是均勻一致的，它是一種微小的圓形刃口。在加工時，其尺寸和幾何形狀要非常精確，目的是使切削刃的強度和性能達到最佳。有研究表明［6-7］：通過刃口強化處理，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倒棱，以增加刃口強度，又因為切削刃對切削力、殘余應(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)，本文采用正交試驗對刀具進行設(shè)計。正交試驗設(shè)計是一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設(shè)計方法，如果變化因素只有一個，試驗設(shè)計比較簡單，則可以通過全面試驗來完成；在有兩個變化因素時，如果試驗的水平數(shù)不多，正交試驗與全面試驗區(qū)別不大；當試驗因素為3個或者超過3個時，全面試驗法的缺點就暴露出來了。因此，對于試驗因素為3個及3個以上的試驗優(yōu)化問題，采用正交試驗法就有非常顯著的優(yōu)越性。

1 試驗設(shè)計方案

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)計是至關(guān)重要的指標。其中累積切削時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準［8］。本次試驗采用刀具累積切削時間作為評判刀具壽命的標準。

本次試驗結(jié)構(gòu)采用焊接式PcBN刀具，在CA6140A車床上進行切削測試，由于PcBN材質(zhì)本身的特性，因此必須在刃口處磨出負倒棱，這一方面能增強刀刃強度，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，因此對負倒棱的設(shè)計至關(guān)重要。本次設(shè)計的還有刀尖圓弧半徑和后角。其主要設(shè)計參數(shù)如表1：

表1 正交試驗的因素和水平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。

本次試驗因素為3個，所以用正交試驗來進行設(shè)計，表2設(shè)計的水平數(shù)和因素數(shù)均為3個，因此選取正交表L9（34）為本次試驗的正交表，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?shù)都鈭A弧半徑為0.8mm，倒棱角度為-15°，刀具的后角為6°時，刀具的壽命最長，為76min。

表3 各次試驗的刀具壽命Table 3 Various test tool life

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

表4 試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量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)值在試驗范圍內(nèi)的變化，會導(dǎo)致試驗指標在數(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為倒棱角度、刀尖圓弧半徑和刀具的后角度數(shù)。為直觀起見，用試驗因素做橫坐標，刀具壽命之和平均做縱坐標，畫出因素與指標的關(guān)系圖，如圖1所示。

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

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

圖1 試驗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：本正交試驗總次數(shù)為n=9，每個因素水平數(shù)為m=3，每個水平重復(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)以上計算，進行顯著性檢驗，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為：A＞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的結(jié)果可以作為刀具設(shè)計的有效參考，對第9號樣刀重新刃磨兩次，進行切削對比試驗，結(jié)果每次的刀具壽命為71min和83min，符合試驗設(shè)計結(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°，此時刀具的壽命最長。

從圖1曲線對比中可以看出，刀具在負倒棱前角為-20°和-10°時，后刀面的磨損較為嚴重；當?shù)毒哓摰估饨嵌葹?15°時，刀具后刀面磨損量較小，刀具壽命相對較長。相比之下，負倒棱前角在-20°時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，負倒棱前角為-15°的刀具累計切削時間大概為-20°時的兩倍左右。由以上分析可知，當?shù)估饨菫?15°時，刀具的累計切削時間最長，即此時刀具的使用壽命最長。

3 試驗分析及討論

在刀具切削過程中，由于倒棱實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 試驗中的金屬切削過程Fig.2 The metal cutting process in experiments

當?shù)估饨沁m量增大時，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。筆者認為在負倒棱前角為-20°時，實際是把刀具磨出一個20°的負前角，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，提前達到刀具的使用壽命。而當取-10°的負倒棱前角時，磨損反而比-15°快的原因，可能是由于在-10°時，切削溫度沒有使工件表面被切削層達到金屬軟化溫度，未能使工件表面硬度明顯降低，加劇了刀具的磨損，而負倒棱為-15°時，刀具的耐磨性最好，使用壽命最長。

J.M.Zhou［10］等人認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)計的研究，但由于試驗的條件所限，本次試驗未對這方面做深入的研究。

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