數控車PCBN刀具切削淬硬高速鋼車削的試驗研究

魏占勝 孫曉雪 常影 王戩 王炟 黃初煥 唐海亮

摘 要：表面粗糙度是衡量表面質量的重要技術指標，產品性能取決于零件表面質量。對具有高硬度的淬火模具機械產品進行切削加工時，切削刀具類型，加工方式等影響表面粗糙度，目前各國專家對表面粗糙度的研究集中于連續切削過程，對斷續切削加工表面粗糙度影響因素研究較少。由于影響斷續切削加工因素較多，對斷續加工淬硬鋼表面粗糙度研究對提高零件表面質量具有理論與現實意義。應用正交試驗研究PCBN刀具車削高速鋼切削力，表明切削深度增加引起切削力增大，速度增加引起切削力減小。

關鍵詞：數控加工;PCBN刀具切削;淬硬鋼

PCBN廣泛應用于數控機床，專用高速機床，柔性生產系統為基礎的自動化生產線，用于高硬度材料切削加工。用PCBN刀具實施硬態切削可改變傳統制造工序，提高生產效率。國內未推廣使用新型硬刀具材料，原因是工廠缺乏對PCBN刀具切削性能的了解。切削淬硬鋼時切削力特征是刀具衡量切削性能的重要指標，實驗可讓生產單位理解使用工作狀況，選用紅硬性較好的高速鋼為工件材料，研究刀具車削中切削力與溫度。

1 PCBN刀具切削淬硬鋼的研究

隨著工業的發展需求，材料科學不斷創新，各種高硬度耐高溫腐蝕新材料不斷出現，其中包含多組元的合金元素，含有金屬與非金屬復合材料為高硬材料。淬火鋼是高硬材料種類，包括普通淬火鋼、軸承鋼等。在裝備制造業、能源汽車等許多領域廣泛應用。由于其硬度較高，采用硬質合金等普通刀具加工易導致刀具磨損，嚴重影響刀具使用壽命[1]。

基于刀具切削時的缺陷，需要選擇硬度高的刀具材料，如聚晶立方氮化硼超硬刀具。聚晶立方氮化硼是立方氮化硼與微粉的結合，經高壓作用形成燒結體。其優點是耐沖擊性能良好，對鐵元素表現不穩定化學惰性。使用PCBN材料制成切削刀具加工機械零部件可承受機床高速度運行，對硬度較高的工件材料切削加工非常容易。如硬度在HRC45以上淬硬鋼等工件材料，其優良耐磨性保證刀具幾何尺寸不變，提高加工零件表面質量，增長加工工件效率。表面粗糙度在評判表面質量優劣技術指標中簡單易測，是檢測表面質量指標中的直觀項目，制造業將表面粗糙度作為關鍵目標進行研究[2]。

近年來零部件表面粗糙度研究主要針對連續切削加工，很多硬態切削加工包括斷續切削情況，如對齒輪端面加工等，隨著鑄造技術發展進步，汽車金屬零部件斷續切削加工日益普遍，斷續切削加工中刀具頻繁間斷切入，造成刀具磨損劇烈，要想提高零件使用性能必須提升零件表面質量。零部件加工中影響表面粗糙度的因素眾多，如刀具材料類型，切削量等使零部件產生不同的表面粗糙度，切削量等參數通常根據實踐經驗，切削量過大會導致較大粗糙度影響工件表面質量。工人往往根據經驗選擇保守的加工參數難以達到精度要求。研究結合正交試驗法，探索斷續切削加工淬硬鋼最優切削加工參數組合，實現斷續切削加工中獲得更好的精密性。

2 PCBN刀具切削高速淬硬鋼實驗

實驗在數控車床上進行，切削力利用壓電晶體測力儀測量，測得信號送至采集系統。通過測力儀測得加工方向的軸向力Fx，徑向力Fy，切削力Fz。切削溫度測量采用自然熱電偶法測量，切削時產生熱電勢送至信號采集系統。

由于PCBN刀具抗沖擊性能力較差，常對PCBN刀具刃口做倒棱處理，得到典型的PCBN刀具結構形式，采用PCBN制成刀具，刀具參數前后角V0=T0=0°，刀尖圓弧V≤0.4，Kv=75°，Voi=-6°。選用淬硬鋼W18Cr4V二維試驗用工件材料，淬硬硬度為HRC58-64，先用刀具去掉工件表面不平表層，在小切深下進行精加工。采用正交實驗法，選用L16（43）正交表安排切削實驗，水平值覆蓋常用切削參數，收集切屑觀察形態。

對切削測得切削力與溫度數據進行同水平值求均值，得到進給量在不同值時對實驗考查切削力。切屑速度增加引起Fy（N），Fz（N）降低，隨著進給量f增加引起切削力增大，Fy（N）與Fz（N）變化趨勢明顯，隨著切深ap（mm）增大引起Fx（N），Fy（N），Fz（N）增大，與切深ap呈線性關系。隨著切削速度增加，溫度線性增加，隨著進給量增加，溫度線性升高。切削深度較大溫度升高。PCBN刀具切削淬硬鋼切屑形態為鋸齒形擠裂，切削深度小三角形不明顯。

3 切削實驗分析

PCBN刀具切削淬硬鋼時，隨著速度提高主切削力顯示降低趨勢，速度較大時切削力降低。原因是工件材料為淬硬高速鋼，加工中難以出現硬化現象，提高速度形成溫度升高趨勢，速度一定值溫度升高，導致材料硬度下降。切削溫度上升改善刀屑摩擦變形，附加變形減小。

軸向切削力速度為2m/s時較大，切削速度較高軸向力較小，由工件材料軟化造成。切削速度較低，切削力較低，因進給速度以每轉固定量計算，低速軸向切削力隨著速度提高增大。切削速度2m/s時，進給速度增大導致軸向切削力增大。切削速度2m/s以上，工件材料軟化形成切削力降低，未觀察到切削力隨速度增加波浪曲線。進給量增大厚度增大。與進給量關系為ac=fsink，f—進給量;ac—切削厚度;kr—主偏角。加工表面與副切削刃接觸長度增加，刀具前刀面受到工件彈性變形抵抗力變大，切削力徑向力增長，主切削刃長度不變，軸向力變化與進給量無關。

切削消耗功轉化為熱能，熱來源有內外摩擦熱，工件與切屑彈性變形產生熱，切屑與刀具前面，加工表面與刀副后面摩擦產生熱。切削熱由切屑帶走，切削熱使工藝系統溫度升高造成刀具磨損。切削溫度隨速度增加，進給量對溫度影響小。深度小時溫度未降低，深度很小時，徑向軸向力大，第三變形區產生熱量比例變大，切屑不能帶走全部熱量導致切削區溫度升高。產生擠裂切屑說明材料未得到足夠延展，硬態切屑形成伴隨切削力分量波動，作用在前刀面切削力變化，切削中溫度較高，切屑發軟化具有流動性，前刀面表現光滑帶狀。獲得較好切屑需要減小切削深度，減小進給量。

參考文獻：

[1]魏鐵軍.基于正交試驗的45鋼車削表面粗糙度的研究[D].蘇州大學，2016.

[2]王亮.淬硬鋼精密車削加工的振動預測建模與參數優化[D].佳木斯大學，2016.

吉林農業科技學院2020年青年基金：吉農院合字第[20200011]號

作者簡介：魏占勝（1988-），男，吉林人，碩士研究生，助教，研究方向：機械電子。