PCBN高速切削25CrMo4過程的切削溫度研究

紀蓮清，王明義，班新星，劉琨

(鄭州輕工業學院機電工程學院，河南鄭州450002)

高速切削 (High Speed Cutting)通過高轉速、快進給、小背吃刀量和小進給量來去除余量，以其高效加工工藝 (HPM)和高生產率加工工藝 (HSM)有別于傳統意義上的采用大的切削量來提高加工效率的加工方式。聚晶立方氮化硼 (Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN)刀具是一種超硬材料刀具，適合于鐵系金屬材料、各種難加工材料的高速切削加工。

高速切削過程中產生的切削熱會導致工件和刀具的切削溫度提高，從而影響工件的加工精度、表面質量和刀具耐磨性［1］。如今，切削溫度已成為現代化加工過程中的一個可控因素，國內外很多學者正在對此進行研究，如文獻 ［2－12］，研究的材料包括高速鋼、GCr15、45、SKD11等淬火鋼及球墨鑄鐵、鈦合金、鎳基合金等，研究方法大多著重有限元模擬分析，而物理模擬驗證的較少，特別是對PCBN刀具切削25CrMo4淬火鋼開展的研究較少。

25CrMo4是淬火鋼中具有代表性的難加工金屬材料，其淬透性較高、冷裂傾向很小、無回火脆性、焊接性和可切削性好，常用于制造在非腐蝕性介質及工作溫度低于250℃、含有氮氫混合物的介質中工作的高壓管及各種緊固件、較重要的滲碳零件，如齒輪、軸等。文中通過有限元模擬，系統地研究了PCBN高速切削25CrMo4淬火鋼切削工藝參數對切削溫度的影響，得到了優化工藝參數下切削溫度的變化規律，并通過切削實驗進行了驗證。

1 切削模型

以下采用拉格朗日法 (Lagrangian)建立了彈塑性有限元方程。考慮到溫度、應變速率影響，材料模型采用Johnson-Cook模型。由于切削過程中產生的高溫，使得切屑－刀具之間的摩擦不僅有滑動摩擦還有黏滯摩擦，故切屑－刀具摩擦模型采用庫倫+黏滯模型。刀具磨損采用Usui磨損模型。在Deform-3D軟件中建立PCBN高速切削25CrMo4的刀具－工件三維模型，并對其進行網格劃分，如圖1所示。

圖1 刀具－工件三維切削模型

2 切削模擬及優化

2.1 PCBN刀具高速切削25CrMo4切削模擬參數選擇

25CrMo4淬火鋼硬度為7級，強度為4級，屬于難切削材料。刀具應采用較小的前角 (或負前角)、小角度后角及較小的主偏角［13］，故刀具取前角γ0為－5°、后角 α0為2°、刃傾角 λs為 －3°。刀具切削速度不宜過高，適合于小進給量和小切削深度切削，故切削速度v分別取:105 m/min、210 m/min、270 m/min、320 m/min;進給量f分別取:0.1 mm/r、0.2 mm/r、0.3 mm/r、0.5 mm/r;切削深度 αp分別取:0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.5 mm，設計正交模擬參數如表1所示。

表1 25CrMo4切削正交模擬參數及結果

2.2 切削溫度模擬結果及評估

切削溫度模擬結果見表1。根據切削模擬參數，通過歸一化綜合評估模型確定最優的切削參數。歸一化綜合評估模型是一個基于切削力和切削溫度的評估模型，將不同切削參數下切削力和切削溫度的模擬值代入歸一化評估模型，可以得到相應的評估值，評估值越小則說明切削性能越好［14］。

歸一化綜合評估模型如下:

式中:M、N、L為常數，分別取 0.545、0.255、－0.2;T0、F0、f0為基本加工參數對應的切削溫度、切削力、進給量，分別取 857℃、162.7 N、0.3 mm/r。將以上各參數值分別代入表1相應組參數可得每組評估值∑x，由表1可見第五組模擬參數對應最小評估值∑5=0.887 1。因此PCBN刀具高速切削25CrMo4優化后的切削參數為:切削速度v=210 m/min;進給量f=0.1 mm/r;切削深度αp=0.1 mm。

2.3 切削溫度模擬結果及分析

2.3.1 切削速度對切削溫度的影響

切削速度在105～210 m/min之間時，隨著切削速度的增加，切削溫度呈下降的趨勢，但當切削速度增加到210 m/min后切削溫度將不再下降，隨著切削速度的進一步增加切削溫度將上升，如圖2(a)所示。可見切削速度太大、太小都會使切削溫度增高。圖2(b)是進給量f為0.1 mm/r、切削深度αp為0.1 mm時評估值隨切削速度的變化情況，從圖中可以看出，評估值變化和切削溫度變化規律基本相同，說明在此切削速度范圍內切削溫度是優化切削參數的主要物理量。

圖2 切削25CrMo4時不同速度下的切削溫度及其評估值

2.3.2 進給量對切削溫度的影響

圖3(a)所示是進給量對切削溫度的影響。從圖3可見，隨著進給量的增加，切削溫度大體上呈現上升的趨勢，只在進給量f為0.3 mm/r時略有下降。圖3(b)是切削速度v為210 m/min、切削深度αp為0.1 mm時的評估值，從圖中可以看出，評估值隨著切削溫度的變化而變化，即在此進給量范圍內，切削溫度對評估值起決定作用。雖然切削溫度和評估值變化趨勢相同，但是變化幅度并不相同，評估值變化幅度較切削溫度大，這是由于影響評估值的因素不但有切削溫度，還有切削力和進給量。進給量在0.1～0.5 mm/r時不能決定評估值的變化方向，但是可以影響評估值的變化幅度。

圖3 切削25CrMo4時不同進給量下的切削溫度及其評估值

2.3.3 切削深度對切削溫度的影響

圖4(a)所示為切削深度對切削溫度的影響。從圖4(a)可以看出，切深在0.1～0.5 mm之間時，隨著切削深度的增大，切削溫度呈上升的趨勢，當切削深度αp在0.3 mm附近的時候，切削溫度有所下降，隨著切削深度的增加，切削溫度將急速增加。圖4(b)是切削速度v為210 m/min、進給量f為0.1 mm/r時的評估值。和進給量對切削溫度的影響一樣，切削深度在此范圍內也不能決定評估值的變化方向，但是可以影響評估值的變化幅度。

圖4 切削25CrMo4時不同切深下的切削溫度及其評估值

3 高速切削物理模擬

3.1 實驗設備

車床采用云南機床廠生產的CA6240車床，車刀采用博特硬質材料有限公司生產的偏頭外圓CSSNR2525-150車刀桿、SNMN1204刀片，如圖5所示。采用美國標智紅外測溫儀進行切削溫度的測量。

圖5 CBN刀具SCMN120408和45°偏頭外圓車刀桿

3.2 實驗結果及分析

圖6(a)是PCBN刀具SCMN120408的切削溫度在刀具前刀面上的分布圖，整個前刀面分為A、B……H 8個區域，從A區域到G區域溫度按照一定的關系逐漸降低。由于切屑阻擋，紅外測溫儀無法測量到A、B、C區域刀具溫度，無法準確測量D區溫度，而只能測量F區域溫度，所以必須通過刀具溫度分布圖才能獲得刀具高速切削過程中的最高溫度。圖6(b)是根據相關文獻和切削實驗整理出的PCBN刀具高速車削25CrMo4時前刀面不同區域切削溫度受切削速度影響的變化情況。當切削速度分別為v=105 m/min、v=210 m/min和v=270 m/min時，F區的溫度分別為190℃、146℃、230℃，刀具最高溫度分別為833℃、730℃、1 150℃。刀具刀尖溫度比刀具平面溫度高出4倍左右，說明PCBN刀具在車削過程中切削熱傳出很快，刀具熱傳導率高，而這有利于切削過程中降低刀具溫度，提高刀具壽命。

圖6 刀具前刀面溫度分布圖

圖7是車削25CrMo4時模擬溫度和試驗溫度的對比情況，比較兩者可以發現，模擬結果和實驗結果非常吻合，誤差分別只有5.6%、4.9%、1.7%，在規定誤差 (10%)范圍內。在整個高速切削過程，由于切削溫度很高，切削速度很快，工件切削表面開始熔化軟化，切屑帶走的熱量增加，傳給刀具和工件的熱量減少，使得刀具溫度增大的趨勢不是十分明顯。

圖7 車削25CrMo4時模擬溫度和試驗溫度對比

4 結論

通過對PCBN高速車削25CrMo4過程進行模擬，得到了切削參數對溫度的影響規律，同時采用紅外測溫儀對模擬結果進行了驗證，得出如下結論:

(1)切削速度在105～320 m/min時切削溫度隨切削速度增加總體呈現上升的趨勢，但是在切削速度達到210 m/min時略有下降，切削速度為210 m/min時切削溫度出現最小值。

(2)隨著進給量和切削深度的增加切削溫度總體呈上升趨勢。

(3)通過和歸一化綜合評估模型評估值比較可以發現，切削溫度和評估值變化趨勢相同，說明切削溫度是影響切削參數優劣的最重要指標，對優化切削參數具有重要意義。

(4)進給量和切削深度在模擬范圍內不能決定評估值的變化方向，但是可以影響評估值的變化程度。

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