PCBN刀具高速切削淬硬鋼材料的研究

葉智彪, 江文清, 羅 濤

(1. 九江職業技術學院 汽車工程學院, 江西 九江 332000) (2. 九江職業技術學院 機械工程學院, 江西 九江 332000)

高硬度和難加工材料的出現對刀具的要求越來越高。PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具具有僅次于金剛石刀具的高硬度，良好的耐磨性能和熱穩定性，優良的化學穩定性，較低的摩擦系數等，在加工高硬度難加工材料中扮演著重要角色[1-6]。同時，PCBN刀具在切削淬火鋼、鎳基合金、鐵基合金、鈦基合金以及冷硬鑄鐵等硬質黑色金屬材料時表現出優良的切削性能。刀具切削能力強、切削效率高、壽命長，工件表面質量和尺寸精度保持性好，生產成本低。

近年來，在機械制造行業，為了提高生產效率，實現高效精密加工，PCBN刀具被用來替代合金刀具實現以車代磨、以銑代磨工藝來制造零件，尤其是在淬硬鋼的加工上。目前，淬硬鋼被用來制造各種軸承套圈、精密量具、模具以及其他具有高耐磨性、高接觸疲勞強度和高彈性極限的機械零件等。但是相關研究表明，在加工難加工材料淬硬鋼的過程中，刀具容易產生微崩刃而失效，降低了刀具的使用壽命[7-13]。CHEN等[14]用顯微硬度分布的影響來解釋高耐磨性材料加工中的刀具磨損機理，并提出了一個預測模型，該模型對預測刀具磨損、提高刀具壽命具有重要參考價值。GODOY 等[15]用立方氮化硼刀片連續車削淬硬鋼，發現適當的切削速度可以提高刀具壽命。SCANDIFFIO等[16]發現切削刀片的質量對刀具壽命和表面粗糙度有顯著影響，并提出了切削刀片表面質量檢查的建議。

試驗采用PCBN復合片制成的刀具在機床上高速切削淬硬鋼材料。首先對PCBN復合片的物相組成、顯微結構以及力學性能進行分析，同時研究PCBN刀具加工淬硬鋼時的磨損機理，并從切削參數、已加工工件表面粗糙度、刀具使用壽命等方面討論PCBN刀具高速精密切削淬硬鋼時的切削性能。

1 試驗方案

1.1 試驗材料及條件

(1)試驗材料：淬硬鋼GCr15的平均硬度為58 HRC，尺寸為φ80 mm×300 mm，工件化學成分如表1所示。

(2)試驗刀具：某知名廠家PCBN復合片，將其制成SNGN120408型刀具。刀具參數：圓角半徑為0.8 mm，切削刃長度為4.8 mm。

(3)試驗機床：試驗在CAK4085Anj數控機床上進行。采用干式切削工件外圓實現綠色加工。

(4)試驗參數：連續切削，切削速度v=80、120、160、200 m/min，進給量f=0.10、0.15、0.20、0.30 mm/r，切削深度ap=0.1 mm。

表1 工件化學成分

1.2 PCBN復合片性能檢測

將PCBN復合片用金相研磨機研磨、拋光；用X射線衍射儀分析其物相，并通過S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)對PCBN表面微觀結構進行表征；用維氏顯微硬度計測定PCBN的顯微硬度；用激光切割機將PCBN樣品切成寬3 mm、高4 mm的切片后，用萬能力學試驗機采用三點彎曲法測定試樣的抗彎強度；參照聚晶金剛石復合片磨耗比測定標準，測定PCBN的磨耗比。

1.3 切削試驗方案

在數控機床上進行外圓干式車削后，采用便攜式TR200粗糙度儀測量工件表面粗糙度，粗糙度儀分辨率為0.001 μm；通過S-4800型場發射掃描電子顯微鏡對刀具磨損進行觀察、檢測和分析。在切削過程中，當切削里程分別為2、5、8 km時取下刀片，使用體式顯微鏡觀察刀具的磨損形貌，并測量刀具后刀面磨損的寬度，以其判斷刀具壽命。

2 試驗結果分析與討論

2.1 PCBN復合片性能

圖1為PCBN復合片XRD圖。從圖1可知：PCBN復合片的物相組成為TiN、AlN、CBN、TiB2以及α-Al2O3，其中結合劑以TiN和TiB2為主。同時，還可以看出CBN主峰的峰高較TiN和TiB2的低。因此，可以斷定PCBN復合片中CBN含量不是太高。使用具有高硬度、高熔點、高耐磨損性和高化學穩定性的TiN為結合劑，能夠制備出具有優良性能的PCBN復合材料[17]。AlN具有高的導熱率、較小的熱膨脹系數等優良性能，可以減小PCBN內部熱應力，從而減少裂紋的產生，同時抑制CBN在高溫下發生相變轉變為hBN[5]。TiB2的力學性能優異、化學穩定性好、抗磨損性能和熱傳導性強，在陶瓷材料中都屬于高強、高硬陶瓷，同時TiB2的導電性能優良，還可使用電火花線切割加工[18-20]。綜上所述，PCBN復合片兼具韌性好、熱穩定性高、硬度高、導電性好等優勢，具有良好的綜合性能，非常適用于淬硬鋼的加工[21]。

圖2為PCBN復合片背散射掃描電鏡圖。圖2中均勻分布著黑色、灰色和白色3種區域，可以推斷分別是由AlN、TiB2以及TiN構成的結合相與主相CBN的分布，CBN顆粒通過結合劑黏結在一起，提高了復合材料的結合強度，結合劑和CBN顆粒的高強度結合可以有效地減少PCBN刀具在高速切削過程中的顆粒脫落和崩刃現象。

圖1 PCBN復合片XRD圖譜

(a)低倍率Low magnification(b)高倍率High magnification圖2 PCBN復合片背散射掃描電鏡圖Fig. 2 Backscatter scanning electron microscopy of PCBN composite

對PCBN復合片進行相關力學性能測試，測試結果如下：抗彎強度為850 MPa，顯微硬度為32.2 GPa，磨耗比為7 800。由于PCBN材料內部各顆粒之間連接緊密，無大量氣孔存在，致密性好，顯微結構緊密，因此具有較高的強度和硬度值。磨耗比是檢測PCBN復合材料刀具耐磨性的一個重要指標，磨耗比高低直接影響PCBN刀具的切削效果。試驗用PCBN刀具具有較高的磨耗比，表明結合劑對CBN顆粒具有較強把持力，CBN顆粒在磨削過程中不易脫落，能明顯增強刀具切削效果。

2.2 PCBN刀具后刀面磨損機理研究

圖3為切削速度v=160 m/min、進給量f=0.15 mm/r、切削深度ap=0.1 mm，切削里程5 km的條件下，PCBN刀具后刀面的SEM照片及相應區域的EDS能譜分析結果。由于PCBN樣品的導電性差，需要對其進行噴金處理，才能在掃描電鏡下更清楚地觀察其形貌。從圖3a中可以看出：PCBN刀具后刀面在切削時發生了較為明顯的崩刃破損，刀具裸露出新鮮表面，即在刀具刀尖處發生了崩刃現象。PCBN材料由黏接相和CBN顆粒結合而成，在連續切削應力作用下，在兩者結合界面易發生疲勞破壞，黏結相與CBN顆粒脫離，留下“凹坑”，使得后刀面被快速磨掉而產生崩刃現象。同時在刀具材料表面處發現有較多的切屑，這說明在高速切削過程中，淬硬鋼中的組成元素黏結沉積在刀具上，會有黏結磨損發生。

(a)后刀面SEM圖SEM image of PCBN flank face(b)1區域能譜圖Energy spectrum of regional 1(c)2區域能譜圖Energy spectrum of regional 2圖3 PCBN后刀面的SEM照片及相應區域的EDS能譜分析Fig. 3 SEM image of PCBN flank face and EDS energyspectrum analysis of corresponding area

用超聲波將刀具清洗干凈，并對后刀面2個區域進行掃描分析，得到圖3b、圖3c。從圖3b、圖3c可知：刀具表面含有C、O、Al、Ti、Fe、Si、Cr、Mn、B、N、W元素；C、Fe、Si、Cr、Mn這些元素不是PCBN刀具材料的主要化學元素，而是被切削工件材料GCr15的主要組成元素，這些元素擴散分布在刀具上。從圖3b、圖3c中還可以看出：在磨損后的刀具上發現了較多的O元素，但在前面的XRD分析中同樣也檢測到了O元素的存在，因此不能斷定切削過程中，刀具材料是否發生了氧化反應。通過上述分析，推斷PCBN刀具的磨損主要為黏結磨損、擴散磨損以及崩刃磨損等多重磨損共同作用的結果。

2.3 切削條件對刀具磨損的影響

2.3.1 切削速度對刀具磨損的影響

(1)在進給量為0.15 mm/r，切削深度為0.1 mm，切削速度分別為80、120、160、200 m/min時，用PCBN刀具高速精密切削淬硬鋼，不同切削里程下刀具后刀面磨損曲線如圖4所示。從圖4可看出：在淬硬鋼切削過程中，當切削速度超過120 m/min時，PCBN刀具后刀面的磨損隨著切削速度的增加而升高。當切削速度為200 m/min，切削里程為2 km時，刀具后刀面產生了較大磨損；在切削速度為80 m/min，切削里程為2 km時，PCBN刀具后刀面磨損相對較小。切削速度的逐步增大，使得刀具與切屑的接觸長度減小，切削熱難以排除，從而導致切削溫度升高。當切削速度在80、120 m/min時，由于PCBN刀具有很好的散熱性，因此在此切削速度范圍內，切削溫度的升高對PCBN刀具使用壽命影響甚微。當提高切削速度到200 m/min時，刀具使用壽命明顯下降，甚至會在切削后期出現微崩刃現象。由于PCBN刀具切削硬質材料是將切削區內微小部分的金屬軟化而進行的[22]，因此當切削速度過低時，就不能發揮PCBN刀具的切削性能。同時，也可能是由于在較低切削速度下，機床剛度、精度以及系統振動對PCBN刀具的切削壽命的影響較大，因此在切削里程8 km，切削速度80 m/min的條件下，PCBN刀具的磨損要大于切削速度120 m/min的PCBN刀具的磨損。綜上所述，PCBN刀具的最佳切削速度應在80～120 m/min為宜。

圖5為切削速度v=200 m/min，進給量f=0.15 mm/r，切削深度ap=0.1 mm的切削條件下，PCBN刀具磨損中期前、后刀面的磨損形貌圖。從圖5可看出：刀具前刀面存在著明顯的剝落現象，刀具的后刀面有明顯的溝槽存在。這可能是由于后刀面在工件表面不斷的沖擊下產生微崩破損，微崩破損逐步發展變成了較寬的磨損溝槽。同時切削速度增大，導致切削溫度急劇增加，刀具后刀面與已加工工件的表面摩擦作用更加激烈，使得刀具的顆粒磨損和黏結磨損情況加劇。

圖4 切削速度對PCBN刀具后刀面磨損的影響

(a)前刀面的磨損形貌圖The front wear morphology(b)后刀面的磨損形貌圖The flank faces wear morphology圖5 PCBN刀具磨損中期前、后刀面的磨損形貌圖Fig. 5 Wear morphology of the front and flankfaces of PCBN tool in the middle of wear

2.3.2 進給量對刀具磨損的影響

在切削速度為120 m/min，切削深度為0.1 mm，進給量分別為0.10、0.15、0.20、0.30 mm/r時，用PCBN刀具高速精密切削淬硬鋼，不同切削里程下刀具后刀面磨損曲線如圖6所示。

從圖6可看出：隨著進給量的增大，PCBN刀具的后刀面磨損都增加了。當進給量為0.20、0.30 mm/r時，PCBN刀具的后刀面磨損相對較輕，因為PCBN刀具含有較多的結合劑，結合劑與CBN的結合穩定，進給量在切削初期對刀具的磨損影響較小。隨著切削里程逐漸增加，由于結合劑的耐磨性不如CBN，因此在切削后期PCBN刀具的磨損速度明顯增加；隨著進給量的增加，PCBN刀具對工件材料的摩擦和擠壓越來越強烈，使得刀具和工件材料之間產生了嚴重的摩擦和巨大的切削力。因此，當進給量增加時，刀具磨損加快。為使PCBN刀具有最大的切削壽命，進給量應在0.10～0.20 mm/r為宜。

圖6 進給量對PCBN刀具后刀面磨損的影響

2.4 工件表面粗糙度分析

圖7為PCBN刀具在切削深度ap=0.1 mm，改變切削進給量f和切削速度v下切削淬硬鋼時工件表面的粗糙度曲線圖。從圖7可知：PCBN刀具高速精密切削淬硬鋼GCr15時，對加工工件的表面粗糙度有較大影響的是切削進給量f。當切削進給量f=0.10 mm/r，切削里程為2 km時，在80～200 m/min的切削速度下，工件表面粗糙度Ra在0.7～1.5 μm。隨著進給量和切削里程的逐漸增加，工件表面粗糙度值增大且有較大幅度的波動。這是因為進給量的增加使得刀具的切削力增大，加快了刀具刃口處的磨損，從而使得被加工工件的表面粗糙度值增加。

圖7 不同切削參數和切削里程對工件表面粗糙度的影響

從圖7中還可以看出：在進給量f和切削深度保持不變時，在切削初期提高切削速度，工件的表面粗糙度會減小，但是隨著切削里程的延長，刀具磨損嚴重，工件的表面粗糙度增加。試驗中PCBN刀具加工時的表面粗糙度與PCBN刀具前/后刀面出現的磨損相對應。同時由于切削過程不穩定性，其中包括切削過程中的變形、刀具的邊界磨損、積屑瘤、刀刃與工件相應位置變動等都會對表面粗糙度產生影響。因此，用PCBN刀具加工淬硬鋼時，控制相關變量，選擇合適的切削參數對提高加工工件的表面質量和延長刀具使用壽命十分關鍵。

3 結論

(1)在淬硬鋼切削過程中，當切削速度超過120 m/min時，PCBN刀具后刀面的磨損隨著切削速度的增加而升高。

(2)PCBN刀具切削淬硬鋼時，為保證刀具使用壽命和加工工件的表面質量，最佳的切削速度應在80～120 m/min，進給量為0.10～0.20 mm/r。

(3)在進給量f和切削深度保持不變時，在切削初期提高切削速度，工件的表面粗糙度會減小，但是隨著切削里程的延長，刀具磨損嚴重，工件的表面粗糙度增加。