大型螺紋旋風硬銑削PCBN 刀具的試驗研究及設計*

朱紅雨 倪壽勇 李 迎

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

大型螺紋(長度大于5 m，直徑大于200 mm，精度P3 級)可以實現長距離重載直線傳動，是各類大型重載機床不可替代的關鍵功能部件。以硬態旋風銑削(thread hard whirling)為代表的大型精密螺紋高性能切削技術結合了高速硬加工技術、旋風銑削技術、高效綠色加工技術，可對硬度60HRC 以上的螺紋實施硬銑削，同時以干切削或少切削液實現綠色加工，是螺紋高效制造的主要工藝方法。PCBN 刀具是實施硬態旋風銑削的重要條件之一，但由于PCBN 刀具硬度高，強度、韌性低，脆性較大，而且又屬于高壓高溫燒結材料，其組織分布不均勻，在硬態旋風銑削加工中，容易發生崩刃、剝落、裂紋和碎斷等刀具脆性破損，是制約硬態旋風銑削加工精度、加工經濟性的重要因素。利用試驗和工具顯微鏡、SEM 掃描電鏡等工具，研究加工時間對PCBN刀具磨損和破損的影響，為合理選擇刀具、科學指導切削工藝參數優化、提高螺紋加工精度打下基礎。

1 PCBN 刀具磨損和破損的試驗研究

PCBN 刀具磨損和破損與切削用量、機床-夾具-刀具-工件系統、刀具自身結構、刀具材料、加工過程的平穩性等都有關系。PCBN 刀具自20 世紀70 年代問世以來，經過30 多年的應用研究，現普遍認為其磨損機理主要為剝落與微崩刃、氧化磨損、CBN 的六方化逆轉、粘結磨損等。

試驗在HJZ052 ×60 數控旋風銑削機床上進行，絲杠直徑為40 mm，螺紋長度為1368 mm，材料為GCr15(＞60HRC)。試驗切削用量:切削速度v=180 m/min，切削厚度ap=0.06 mm。刀具結構:前角0°，倒棱-25° ×0.1 mm。刀盤裝夾刀具數z=3。

圖1 為PCBN 刀具工作240 min 時，前刀面的SEM 電鏡照片。在刀尖圓弧的正中間有明顯的前刀面磨損和崩刃現象(如圖1a)，圖1b 是粘結在刀尖上的切屑，分析得知機床-夾具-刀具-工件系統振動明顯，刀具運行不平穩，刀具磨損和破損嚴重。

圖2 為PCBN 刀具工作720 min 時，前刀面的SEM 電鏡照片。從圖2a 可以看出，前刀面沿中心線出現長裂紋，此裂紋延伸至整個PCBN 層。放大刀尖處(如圖2b)可見崩刃明顯。整個圓弧刃上除刀尖外，其他地方崩刃較少。

在加工現場，因磨損或崩刃換下來的刀具，其破損均出現在刀尖圓弧上。這是因為一方面于在硬旋銑加工中，工件材料硬度高，加工阻力高，由于塑性變形和擠壓變形產生大量的熱;另一方面是因旋風銑削形成的切屑先由薄到厚，再由厚到薄(如圖3 所示)，刀尖始終處于切削狀態。當刀具出現輕微磨損時，摩擦力增大，切削熱進一步增大，當切削熱聚集到一定程度時，刀具產生擴散磨損;再加上斷續加工過程的沖擊和振動，使刀具首先在與切屑接觸最多的刀尖處發生破壞。

圖4 為PCBN 刀具工作1440 min 時前刀面的SEM 電鏡照片。可以看出，隨加工時間的延長，前刀面的整個圓弧刃上多處發生崩刃，在刀尖圓弧處的崩刃最嚴重。圖4b、c、d 分別為圖4a 中的1、2 和刀尖處的放大照片。其中圖4d 與圖2 一樣，在前刀面沿中心線出現長裂紋。

由以上試驗分析可知，PCBN 刀具在旋銑加工中主要失效形式是崩刃和裂紋。圖5 為加工300 min 后PCBN 刀具的后刀面磨損金相照片，后刀面磨損幾乎可以忽略不計。

2 PCBN 刀具破損的統計分析

在試驗研究的基礎上，對加工現場切削參數相同(切削速度V=180 m/min，切削厚度ap=0.06 mm，刀具數z=3)，加工時間相同時得到的刀具進行采樣。采樣總刀具數145 把，其中，可修復刀具59 把，約占總刀具數的40%。可修復刀具與不可修復刀具之比約為2∶3。

生產中，為節約成本，對刀具破損沒有超過刃磨標準的刀具進行修復。如能合理把握換刀時間，有助于提高刀具可修復比例，進而降低刀具成本，提高經濟效益。但事實上，PCBN 刀具修復用的磨刀機床成本高，經修復后的刀具壽命只有原刀具的1/6，且刃磨過程降低了生產效率，因此，提高刀具可修復比例并不能從根本上減少刀具成本。

3 可轉位旋風銑PCBN 刀片設計

在硬態旋風銑削加工中，PCBN 刀具失效的主要原因是刀具破損，后刀面磨損幾乎為零，刀具破損主要出現在刀尖圓弧中心線的位置上，在高頻沖擊的情況下，刀具破損的主要形式是崩刃。如合理控制換刀時間，刀具除在刀尖處破損外，其他地方依然可用，但由于是整體刀具，必須重新換刀才能繼續加工。若對旋風銑削刀盤和刀具系統進行重新設計，采用可轉位旋風硬銑PCBN 刀具，如圖6 所示，PCBN刀具由CBN 層、硬質合金基體和刀桿組成。將CBN層做成圓形或菱形刀片，與硬質合金基體組裝，同時，硬質合金基體與刀桿組裝，即制成可轉位旋風硬銑PCBN 刀具。

該設計的優點是無需改變刀盤結構，當刀具磨損后，只需將刀片轉過90°即可。可轉位旋風硬銑PCBN刀具的使用將有效提高刀具使用壽命，節約換刀時間，降低刀具成本。

4 結語

通過試驗研究了硬態旋風銑削加工中PCBN 刀具的主要失效形式是崩刃和斷裂，崩刃主要出現在刀尖圓弧中心線的位置上，PCBN 刀具后刀面磨損幾乎為零。統計了在加工參數和加工時間相同時，可修復刀具與不可修復刀具之比約為2∶3。提出有效提高刀具使用壽命的方法是采用可轉位旋風硬銑PCBN 刀片，該設計結構簡單，方便實用。為降低刀具磨損和破損，提出一種旋風銑削外螺紋滾道的自回轉刀具組件設計方法，該刀具可用于外螺紋件的內旋銑、外旋銑包絡滾切成形加工過程，具有加工精度高、切削效率高、刀具使用壽命長、換刀方便等特點。

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