PCBN刀具硬車削T10鋼工件表面質量研究

李慶華，潘 晨

(長春大學機械與車輛工程學院，長春130022)

PCBN刀具硬車削T10鋼工件表面質量研究

李慶華，潘 晨

(長春大學機械與車輛工程學院，長春130022)

針對目前車削硬脆性材料的加工狀況和采用車削刀具的實際情況，本文利用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，車削一定硬度的T10軸類零件，采集車削過程中的相關數據庫，進行分析正交試驗，分析切削過程中切削速度、進給量對零件表面粗糙度的影響。結果表明:切削速度對表面粗糙度影響較大，進給量次之。工件表面粗糙度隨著切削速度的升高而降低；同一切削速度下，較小的進給量對表面質量影響較明顯，依據試驗結果對切削參數進行優化為實際生產加工提供理論依據。

PCBN刀具；表面粗糙度；切削參數；切削速度；進給量

0 引言

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN)是由一定比例的CBN顆粒和金屬粘結劑或陶瓷粘結劑在高溫高壓下合成的一種無機材料[1－2]。近幾年，在PCBN刀具硬車削應用中，國內外的學者開始研究使用PCBN刀具車削加工后的工件表面質量。高世龍、安立寶等[3]使用CBN刀具車削淬硬鋼Cr12MoV，利用正交試驗法研究了切削用量三要素對表面粗糙度的影響，研究發現，切削速度對表面粗糙度的影響最顯著，進給量其次，背吃刀量最小。H.H.Habeeb等[4]在用CBN刀具干式切削鎳合金242試驗中研究發現，工件表面粗糙度在0.052~0.08微米范圍內，增加切削速度表面質量將會變光滑，增加進給量和背吃刀量工件表面會變得更加粗糙。陳濤，劉獻禮等[5]在使用PCBN刀具硬車削淬硬鋼GCr15試驗中發現，影響表面質量的最主要因素是進給量，其次是刀尖圓弧半徑，切削速度對表面粗糙度有一定影響，背吃刀量對表面質量影響較小。

由于PCBN刀具具有高硬度、熱穩定性、良好的導熱性、較好的耐磨性、紅硬性和較高的化學惰性等[6－8]優良的切削性能，已經被廣泛應用于硬車削加工中。本文通過設計正交試驗，研究切削速度、進給量對T10材料的表面粗糙度的影響，并對切削用量進行優化，在試驗數據范圍內制定合理的切削參數。

1 正交試驗

1.1 試驗條件

本研究所使用的PCBN刀具來自河南富耐克超硬材料有限公司，如圖1所示，該PCBN刀具適合粗、精加工高硬度合金材料，耐磨損性能優異。

圖1 PCBN刀具

正交試驗中所使用的工件材料是硬度為HRC53的T10鋼，工件的長度均為14cm，直徑均為5cm的軸件，工件有三個。

1.2 試驗參數及方法

本次試驗中，將切削用量三要素中的背吃刀量ap設為固定值，根據以往的加工參數經驗，背吃刀量ap的范圍為0.1~0.4mm，故背吃刀量取ap＝0.2mm。通過改變單一變量切削速度vc、進給量f進行硬車削試驗，切削用量參數如表1所示。

表1 試驗切削用量參數

在進行正交試驗之前，先將T10工件在數控車床作去表皮處理，然后分別以切削速度vc＝200、400、600、800、1000r/min在工件上切削五段進行分析比較，如圖2所示。

圖2 分段切削后的T10工件

2 試驗結果與分析

按照所設計的正交試驗法進行切削加工T10工件，并在WYKO N7910光學輪廓儀上檢測表面粗糙度，得到了車削后的T10表面粗糙度數據，如表2所示。

表2 T10工件表面粗糙度值

進給量(μm/r)轉速(r/min) 10 20 30 400 0.826 0.568 0.608 600 0.857 0.565 0.595 800 0.732 0.552 0.544 1000 0.625 0.555 0.525

根據表2列出的粗糙度試驗數據，在數據處理軟件上對其進行分析，得到表面粗糙度與切削速度、進給量之間的關系曲線，如圖3所示。

圖3 試驗后T10表面粗糙度與切削速度、進給量之間的關系曲線

從圖3中曲線走向分析可知:在試驗設定的切削參數范圍內，T10表面粗糙度與切削速度成反比，即切削速度越高，T10表面質量越好。當進給量f＝20μm/r時，T10表面粗糙度值隨切削速度的升高明顯降低；當進給量f＝10μm/r時，發現切削速度vc＝600r/min時表面粗糙度值是Ra＝0.857μm，切削速度vc＝400r/min時表面粗糙度值是Ra＝0.826μm，粗糙度值隨著切削速度的增加而略微增加，由于二者相差0.031μm，在試驗允許誤差范圍內，仍認為符合試驗結論，即切削速度越高，T10表面質量越好；當進給量f＝30μm/r時，切削速度vc＝200r/min時表面粗糙度是Ra＝0.567μm，切削速度vc＝400r/min，vc＝600r/min時，T10的表面粗糙度值均大于vc＝200r/min的粗糙度值，表面粗糙度隨著切削速度的增加先升高再降低。經研究分析認為，由于PCBN刀具在試驗過程中進行連續切削，出現了磨損情況。在切削速度達到vc＝400r/min時刀具進入了初期磨損階段，刀具開始發生磨損，這時產生的切削力突然增大，刀具與工件之間發生振動，導致表面質量粗糙。切削速度達到vc＝600r/min后，刀具進入正常磨損階段，工件表面粗糙度開始減小。由此可知，在切削速度為vc＝400r/min，vc＝600r/min時，理論上表面質量應該優于vc＝200r/min的表面質量。

從圖3可以看出，在相同的切削速度下，增加進給量，表面粗糙度反而降低。當進給量f＝10μm/r增加到f＝20μm/r時，T10表面粗糙度明顯降低，而當進給量從f＝20μm/r增加到f＝30μm/r時，粗糙度變化不再明顯。由此可以得出，在切削速度相同的條件下，相應的增加進給量，能獲得良好的表面質量，但是，當進給量增加到一定數值時，對T10的表面質量影響不再明顯。

3 結語

本文通過使用PCBN刀具車削硬度為HRC53的T10工件，并對其車削表面質量進行了分析研究，結果表明:在試驗設定的切削數據范圍內，隨著切削速度的增加，工件表面粗糙度降低；增加進給量，表面粗糙度也降低，當進給量增加到一定數值后，對表面質量的影響不再明顯，進而得出切削速度對T10表面質量的影響比進給量大。

[1] 趙興利.新型聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具材料研制及其切削機理研究[D].濟南:山東大學，2011.

[2] 李重陽.立方氮化硼的性能和應用[J].科技視界，2014(15):73－74.

[3] 高世龍，安立寶，李晨輝，等.CBN刀具車削淬硬鋼表面粗糙度的試驗與預測[J].現代制造工程，制造技術/工藝裝備，2015(10):102－105.

[4] H H Habeed，K Kadirgama，M M Noor，et al.Machining of Nickel Alloy 242 with Cubic Boron Nitride Tools[J].Journal of Ap-plied Sciences，2010，10(19):2322－2327.

[5] 陳濤，劉獻禮.PCBN刀具硬態切削淬硬軸承鋼GCr15表面粗糙度試驗與預測[J].中國機械工程，2007，18(24):2973－2975.

[6] 劉薇娜，鞠巖松，楊立峰.立方氮化硼刀具在切削加工中的應用[J].機械工程師，2014(10):41－42.

[7] 劉獻禮，肖露，嚴復鋼，等.PCBN刀具的發展性能及應用[J].現代制造工程，2002(1):37－39.

[8] 張奎，張相法，王光祖.立方氮化硼在現代加工技術中的地位和作用[J].超硬刀具材料，2013(2):47－52.

[9] 董升濤，胡軍，李慶達.深松鏟尖等離子堆焊涂層組織結構及性能研究[J].黑龍江八一農墾大學學報，2016(4):85－87.

[10] 張吉軍，田乃浩，林南南，等.大型筒件內環面車削用刀具的設計及評價分析[J].黑龍江八一農墾大學學報，2013(5):13－16.

責任編輯:程艷艷

Research on Surface Quality of Hard Turning T10 SteelW orkpiece w ith PCBN Cutting Tool

LIQinghua，PAN Chen
(College of Machinery and Vehicle Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

In view of themachining situation of hard－brittlematerials and the actual condition of the cutting tools，this experiment uses polycrystalline cubic boron nitride(PCBN)tool to turn T10 workpiece with certain hardness，during which the relevant data is collected to carry out orthogonal trial.The effects of cutting speed and feed rate on surface roughness are analyzed.The results show that the cutting speed has a greater influence on the surface rough-ness than feed rate.The workpiece surface roughness decreaseswith the increase of cutting speed；under the same cutting speed，the smaller feed rate has a obvious influence on the surface quality.The cutting parameters are opti-mized based on the trial result，hoping to provide the theoretical basis for the actual production and manufacture.

PCBN tool；surface roughness；cutting parameter；cutting speed；feed rate

TG506

A

1009－3907(2017)06－0001－03

2017－04－16

長春市科技局重大科技攻關計劃項目(2013JBA01L03)

李慶華(1968－)，男，吉林蛟河人，教授，博士，碩士研究生導師，主要從事機械制造及自動化方面研究。