PCBN車削灰口鑄鐵HT300表面粗糙度研究

石新華，周 偉，竇毅杰

（上海三菱電梯有限公司，上海 200245）

0 引言

加工表面粗糙度對產品的質量、使用性能和可靠性均有重大影響。一些傳動部件的制動零件表面質量要求很高，可達Rz6.3μm，部分區域甚至達到Rz1.0～2.0μm。這類零件常見材料為珠光體灰口鑄鐵HT300，是典型的脆性材料，脆性材料車削過程中形成崩碎切屑，切削過程中切削力集中于切削刃附近很小的區域內，前刀面與切屑接觸長度很小，作用在刃口的局部壓力大，形成一定的切削沖擊性；同時石墨易從灰口鑄鐵表面脫落而形成凹痕，因此，相對而言，車削灰口鑄鐵切削穩定性較車削結構鋼差，更難以獲得理想的表面粗糙度。目前，高品質傳動部件制動面部位最終工序基本上以磨削為主，加工效率低下。因此，對HT300車削表面粗糙度的研究具有重要的意義。

近年來，國內外對立方碳化硼（PCBN）刀具的切削性能及應用進行了大量研究[1～5]，除了熱點的硬車削之外，PCBN刀具在高牌號的灰口鑄鐵高速切削中也有著出色的表現，刀具壽命遠超過硬質合金，表面質量良好。

本文基于表面粗糙度理論，利用不同的PCBN刀片對HT300進行大量的切削試驗，研究PCBN中CBN含量、倒棱和晶粒度等因素對HT300車削表面粗糙度的影響，為鑄鐵零件以車代磨工藝提供理論和試驗參考。

1 表面粗糙度理論

表面粗糙度是指加工表面所具有的較小間距和微小峰谷的微觀幾何形狀的尺寸特征。在新國標GB/T 3505-2000中主要以Ra和Rz表示，如圖1所示。

1）Ra

Ra為表面輪廓算術平均偏差，是指在取樣長度lr內

圖1 表面粗糙度

縱坐標的算術平均值，Ra是最常見的表面粗糙的表征，其離散形式的表達式近似為：

其中，Zi為圖1中輪廓線上各點的Z向數值，n為取樣長度輪廓內的取樣個數。以連續形式表達，則為：

其中，f(x)即取樣輪廓中縱坐標與橫坐標的關系函數。

2）Rz

Rz為輪廓最大高度，是指在取樣長度內，輪廓最大峰值Rp和最大谷值Rv之間的高度之和，其表達式為：

車削過程中形成的理論表面是以每轉進給量f為波長的周期性螺旋輪廓表面，如圖2所示。

圖2 車削時的理論表面殘留高度

最大殘留高度理論上反映的就是Rz，可以表示為：

其中，r為刀尖圓弧半徑，f為每轉進給量。對上式微分計算，有：

切削殘留平均高度Rmean一定程度上決定了Ra的大小，可以描述為：

綜上，可以得到：表面粗糙度Ra與殘留平均高度Rmean有著直接的關系，Ra可以表達為[6]：

上式推導基于f<2r，如此式(11)中β才具有真正意義，切削時的每轉進給量f比刀尖直徑小，這也與實際加工相符。

對式(12)進行偏微分運算，可以得到：

當0x，因此，可以推導，當f<2r時，

在計算時，略去表面粗糙度的高階分量，可以近似得到[7,8]：

從而，可知：

綜上所述，表面粗糙度與刀尖圓弧半徑及每轉進給量有著直接的關系，在實際常見進給速度下（f<2r），理論表面粗糙度與刀尖圓弧半徑成反比，而與進給速度成正比。同時，理論表面粗糙度Rz與Ra有著近似的線性關系，兩者之比約3.897。

2 試驗建立

實際加工中，增大刀尖圓弧半徑使得刀尖與工件接觸面積增大，切削力增大，造成振動趨勢增大，反而不利于獲得更好的表面質量；同樣，過低的進給速度，一方面對機床設備的進給機構精度提出了更高的要求，另一方面長時間的摩擦接觸也加劇了刀具負擔。

因此，實際切削加工中，無限度的增大刀尖圓弧和降低進給速度，并不是降低表面粗糙度的理想策略，而是要從多方面的耦合因素進行考慮。

對于PCBN刀片而言，刀尖圓弧、CBN成分、涂層、倒棱及晶粒度等多方面均能對表面粗糙度的獲得產生影響。

切削試驗在一臺EMCO雙主軸數控車削中心進行，測量儀器選用Mitutoyo SJ210粗糙度儀，試驗選取了多種PCBN刀片，對PCBN刀片車削HT300的切削性能及如何獲得理想的表面粗糙度進行了大量試驗研究，主要切削條件如表1所示。

試驗刀片的特性如表2所示。

表1 切削條件

表2 試驗刀片特性

3 結果與討論

3.1 PCBN刀片車削HT300表面粗糙度

3215是SANDVIK典型用于車削灰口鑄鐵的硬質合金刀片，通過切削試驗對硬質合金材質3215和PCBN材質7525進行分析比較，兩者獲得的表面粗糙度能力如圖3所示。

圖3 PCBN材質與硬質合金材質車削HT300表面粗糙度對比

試驗刀片刀尖圓弧相同，進給速度和切削深度相同，PCBN材質7525使用了較高的切削速度500m/min，而3215材質使用了200m/min的切削速度。從結果可知，常規硬質合金刀片車削HT300時，理想的Ra在0.8～1.0μ m，Rz在7～9μ m，而使用PCBN刀片，表面粗糙度可達Ra0.4～0.6μ m，Rz4～5μ m。

3.2 CBN含量對表面粗糙度的影響

7015材質CBN含量僅50%，而7525材質CBN含量達90%，為獲得更加理想的表面質量，進給速度降低到0.05mm/rev，同時使用較高的切削速度700m/min，兩刀片各車削5次，結果如圖4所示。

圖4 CBN含量對表面粗糙度的影響

7525和7015在相同的切削條件下，新刀片車削時，兩者獲得表面質量的能力相當，然后，隨著切削次數的增加，7015材質車削表面粗糙度明顯上升，而7525材質依舊保持相對穩定，試驗后從刀具磨損情況可以明顯看出，CBN含量低的7015材質在高速低進給下刀具磨損明顯比7525嚴重，造成表面粗糙度上升。

3.3 大直徑圓形PCBN刀片車削性能分析

從表面粗糙度理論可知，要降低表面粗糙度，需要增大刀尖圓弧半徑，同時減小每轉進給量，然而，大圓弧引起的大切削力容易造成切削振動，而過低的進給對機床進給機構和刀具耐磨性均提出了更高的要求，為控制這些矛盾，在使用大直徑刀片時，切削試驗采取了高速切削技術，高的切削速度使得切削力下降，避免了切削振動的產生，極低的每轉進給在高速下依舊可以保證穩定的每分鐘進給行進，同時PCBN材質的良好高溫紅硬性又保證刀具高速切削中的穩定性。

試驗刀片為RNGN090300S02520M 7925，刀片直徑為9mm，切削速度為750m/min，切削深度為0.15mm，進給速度為0.06mm/rev，試驗結果如圖5所示。可以看出，在高速低進給下對大直徑圓弧PCBN刀片進行車削試驗，表面粗糙度可達Ra0.3～0.4μ m，Rz2.5～4μ m。

圖5 大直徑PCBN刀片車削表面粗糙度

3.4 倒棱對表面粗糙度的影響

試驗使用R N M N 0 9 0 3 0 0 E C B N 4 0 0 C和RNMN090300S02020 CBN400C兩款刀片進行試驗，刀片所用材質及刀片形狀完全一致，兩者僅存在倒棱上的區別。結果如圖6所示。

圖6 PCBN刀片倒棱對表面粗糙度的影響

從圖6可知，雖然兩者試驗結果互有交叉，但是相比有倒棱的刀片，無倒棱PCBN刀片更容易獲得理想的表面粗糙度。

3.5 晶粒度對表面粗糙度的影響

CBN晶粒度的大小不僅影響PCBN的燒結質量，而且對切削表面質量也會產生影響，試驗選取不同粒度大小的CBN150材質和CBN400C材質，結果如圖7所示。圖7可以看出，具有微細晶粒度的CBN150材質更易于獲得理想的表面粗糙度。

圖7 CBN晶粒度對表面粗糙度的影響

3.6 Ra與Rz的關系

對WNGA080412T01020B 7525刀片車削出的表面粗糙度分析，Rz與Ra得關系如圖8所示。可以看出，車削HT300時，Rz與Ra的比值并不是理論的3.897附近，而在8～10左右，究其原因，一方面與脆性材料的組織結構有關，另一方面與車削時崩碎切屑對刀具的斷續沖擊造成的切削不平穩性有關。

4 結論

本文對PCBN車削灰鑄鐵HT300表面粗糙度進行了理論和試驗研究，主要結論有：

1）相比硬質合金刀片，PCBN刀片更容易獲得理想的表面粗糙度；

圖8 車削HT300時Rz與Ra的關系

2）CBN含量高的PCBN材質在高速切削下耐磨性比CBN含量低的PCBN材質更好，獲得穩定的表面粗糙度的能力更強；

3）大直徑圓弧刀片在高速低進給下可以獲得一個穩定的切削工況，車削時表面粗糙度可達Ra0.3～0.4μ m，Rz2.5～4μ m；

4）相比有倒棱的PCBN刀片，無倒棱的PCBN刀片更容易獲得理想的表面粗糙度；

5）晶粒度更加微細的PCBN材質車削出的表面粗糙度更低；

6）車削HT300時，Rz與Ra的比值并非理論的3.897附近，而在8～10左右，因此當對零件表面輪廓誤差要求嚴格時，控制Rz比控制Ra更有實際意義。

[1] 劉獻禮,陳波,嚴復鋼,等.PCBN刀具的選擇與使用[J].機械工藝師,1998.10:14-16.

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