CBN 刀具在淬硬鋼鼠牙盤車削中的應(yīng)用*

姜 力 胡建亭

(煙臺環(huán)球數(shù)控裝備有限公司，山東 煙臺265500)

鼠牙齒盤主要用于分度定位，其具有自動(dòng)定心、分度精度高、重復(fù)定位精度好、定位剛性好以及精度保持壽命長的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、數(shù)控功能部件等高精密定位的產(chǎn)品中。鼠牙盤材質(zhì)是由低碳合金鋼經(jīng)滲碳淬火低溫回火處理后的滲碳淬硬鋼，其表面組織是高碳回火馬氏體加顆粒狀碳化物及少量殘余奧氏體，具有高硬度和高耐磨性，而心部具有足夠的韌性和強(qiáng)度。在機(jī)械加工中多采用磨削加工工藝，屬于較難加工材料。在生產(chǎn)加工中，考慮到變形等因素影響，淬火后磨削余量一般在0.5 mm 以上，需要進(jìn)行粗磨、半精磨、精磨加工，生產(chǎn)效率很低。近年來，隨著切削刀具技術(shù)的不斷進(jìn)步，CBN 刀具越來越多地應(yīng)用到淬硬鋼的車削加工中，實(shí)現(xiàn)以車代磨，并取得了令人滿意的效果。

1 切削刀具

1.1 CBN 刀具材料特點(diǎn)

選擇硬度高、抗彎強(qiáng)度高、耐熱性好的車削刀具材料是車削淬硬鋼的重要條件。立方氮化硼刀具是由硬度僅次于金剛石的立方晶體氮化硼粒子在高溫高壓下燒結(jié)而成的多晶體CBN 刀具，具有高硬度、優(yōu)異的耐磨性，能實(shí)現(xiàn)長壽命的高速加工，高熱導(dǎo)性使其能進(jìn)行穩(wěn)定的加工，能減小精加工表面粗糙度值，由于與鐵不易反應(yīng)，可以用于鑄鐵和淬硬鋼的高速加工，實(shí)現(xiàn)以車代磨加工。

1.2 CBN 刀具選用原則

從車削加工淬硬鋼角度來講，選擇淬硬鋼加工的刀具有以下兩個(gè)方面:

(1)刀具材質(zhì)選擇

一般從加工工件硬度上來說，在切削硬度低于50HRC 以下和小切深小進(jìn)給情況下的淬硬鋼工件時(shí)，陶瓷刀具是較好的選擇。CBN 刀具適合于工件硬度高于50HRC 情況，另外，陶瓷刀具盡量避免在半精加工和粗加工用，而整體CBN 刀片可以適合斷續(xù)切削，重載粗加工。

(2)CBN 刀具廠家、牌號選擇及刃口處理情況

優(yōu)質(zhì)CBN 刀具不但粗加工不崩刃，而且能夠在高效率精加工時(shí)保持超長的使用壽命和很好的加工表面粗糙度。在淬硬鋼粗加工和斷續(xù)切削中，應(yīng)該選用整體CBN 刀片(即立方氮化硼整體聚晶刀片)。

2 工藝可靠性分析

選擇立方氮化硼刀具實(shí)現(xiàn)以車代磨工藝，就要保證加工系統(tǒng)有足夠的剛性，否則會影響工件加工質(zhì)量。我們選用長城機(jī)床廠的CK7150 數(shù)控車床作為工作母機(jī)，其配備的液壓卡盤、液壓尾座很好地保證了加工系統(tǒng)的剛性。由于車削的是滲碳淬火件，硬度達(dá)58～63HRC，為保證車削的穩(wěn)定性，在刀具的懸伸長度方面我們經(jīng)過多次嘗試改進(jìn)，最終將車削刀具的懸伸長度進(jìn)行了不斷優(yōu)化，最大限度地保證車削系統(tǒng)的剛性，保證加工質(zhì)量。

3 刀具幾何參數(shù)及切削用量選擇

鼠牙盤如圖1 所示，其重復(fù)定位精度高，應(yīng)用非常廣泛，是數(shù)控刀架的核心零部件。此類零件材料一般為20CrMnTi，經(jīng)滲碳淬火熱處理，表面硬度為60～62HRC，外圓、端面表面粗糙度Ra≤1.6 μm。傳統(tǒng)加工工藝為:機(jī)加工→熱處理→磨削。由于滲碳淬火熱處理會導(dǎo)致工件變形，淬火后磨削余量一般在0.5 mm以上，一直以來均采用粗磨、半精磨和精磨，工序較多，生產(chǎn)效率不高，制約了零件質(zhì)量和效率的提高。采用CBN 刀具以車代磨的加工工藝為:粗加工→熱處理→半精車、精車。以φ2080-0.3mm 及A面為定位基準(zhǔn)，液壓卡盤夾緊，工件可一次裝夾，完成端面、各外圓及內(nèi)孔的半精車、精車加工，實(shí)現(xiàn)以車削代替磨削工藝，完全可以達(dá)到圖紙要求。新工藝還可進(jìn)行干式切削，免除費(fèi)工又費(fèi)錢的廢渣回收與處理問題，從而實(shí)現(xiàn)綠色加工。新工藝可減少工藝設(shè)備，加工效率可提高一倍以上，而加工成本僅為磨削的1/4 左右，經(jīng)濟(jì)效益顯著。隨著刀具制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在大部分企業(yè)普遍采用可轉(zhuǎn)位刀片，互換性好，使用方便，無需手工刃磨且刀具各角度參數(shù)及刃口刃磨均由刀具生產(chǎn)企業(yè)保證，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

3.1 刀具幾何參數(shù)選擇

(1)前角γ0

根據(jù)淬硬鋼的材料特性，在保證刀尖強(qiáng)度和散熱條件下，考慮到切削力和切削變形因素的影響，取很小的前角甚至采用負(fù)前角。一般取γ0=0°～-10°，工件硬度太高或斷續(xù)切削時(shí)，γ0= -10°～-30°［1］。

(2)刀具后角α0

在滿足刀具與工件之間摩擦力減小的前提下，應(yīng)盡量選擇較小的刀具后角，在選取負(fù)前角后，必須加大后角才能保持切削刃鋒利，但是過大的后角使切削刃強(qiáng)度降低，散熱條件差，磨損量大，刀具壽命降低，一般可選擇8°～10°刀具后角，以提高刀具壽命［1］。

(3)主偏角κγ和副偏角κ'γ

為減小切削時(shí)的沖擊和切削力，增加刀具強(qiáng)度和改善刀具散熱性，提高刀具壽命，主偏角κγ使用接近90°，但不小于75°的刀具，而副偏角κ'γ是影響表面粗糙度的主要角度，它的大小也影響刀具的強(qiáng)度，一般取6°～15°［1］，有利于精車時(shí)工件保持較小的表面粗糙度值。

(4)刃傾角λs

對于車削淬硬鋼，一般采取負(fù)的刃傾角，此時(shí)刀尖在切削刃最低點(diǎn)，切削刃切入工件時(shí)，切入點(diǎn)在切削刃或前刀面，保護(hù)刀尖免受沖擊，可提高刀尖強(qiáng)度和抗沖擊能力。立方氮化硼刀具一般取λs=0°～-5°［1］。

(5)刀尖圓弧半徑rε

刀尖圓弧半徑的大小影響刀尖強(qiáng)度和已加工表面粗糙度。由于淬硬鋼硬度高、強(qiáng)度大，在加工過程中常出現(xiàn)刀具快速磨損、崩刃的情況。因此，選擇合理的刀尖圓弧半徑可改善切削加工性，刀尖圓弧半徑選用rε=0.4～1.2 mm，以獲得更堅(jiān)固的切削刃，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性要求。另外，選用切削刃采用倒棱+珩磨處理，以延長刀尖壽命。

3.2 切削用量選擇

粗加工時(shí)，應(yīng)盡量保證金屬切除率和必要的刀具耐用度，優(yōu)先選擇較大的切削深度ap，其次是選擇較大的進(jìn)給量f，最后選擇合適的切削速度Vc。在精加工時(shí)，首先應(yīng)保證零件加工精度和表面質(zhì)量，一般選擇較小的進(jìn)給量f和切削深度ap，而盡可能地選擇較高的切削速度Vc。

在使用CBN 刀具車削淬硬鋼時(shí)，當(dāng)切削速度達(dá)到一定數(shù)值(約207 m/min)時(shí)，刀具壽命最長，但隨著切削速度的繼續(xù)提高，切削溫度升高很快，刀具磨損也加快，刀具壽命明顯下降。

進(jìn)給量是影響切削工序時(shí)間的主要因素。進(jìn)給量增大，切削溫度升高，后刀面磨損增大，刀具壽命下降，但較之切削速度對刀具壽命的影響要小。當(dāng)進(jìn)給量增加20%時(shí)，刀具壽命下降19%;當(dāng)進(jìn)給量增加一倍時(shí)，刀具壽命下降55%。

切削深度應(yīng)根據(jù)工件的加工余量、形狀、機(jī)床功率、剛性及刀具的剛性來確定。切削深度對刀具的壽命影響不大。過小的切削深度會造成刮擦，只切削工件表面的硬化層，縮短刀具壽命。切削深度增加，刀具壽命下降。當(dāng)切削深度增加20%時(shí)，刀具壽命下降10%。所以，一般情況下應(yīng)在機(jī)床功率允許范圍內(nèi)選擇盡可能大的切削深度，以避免刀尖只切削工件的表面硬化層，造成刀尖的異常磨損甚至破損。

因此，在車削淬硬鋼時(shí)，CBN 刀具切削速度一般選擇為80～150 m/min，切削深度0.1～0.5 mm，進(jìn)給量0.02～0.1 mm/r。

4 實(shí)際應(yīng)用注意事項(xiàng)

以車代磨與一般的磨削相比具有很多優(yōu)勢，很適合盤套類工件的硬態(tài)車削加工，對提高加工效率有很大幫助，因此，在鼠牙盤等盤套類零件的批量生產(chǎn)可以應(yīng)用以車代磨工藝。在實(shí)際應(yīng)用中要注意以下幾點(diǎn):

(1)必須保證加工系統(tǒng)有足夠的剛性，這是實(shí)現(xiàn)以車代磨的前提條件。

(2)根據(jù)加工材料的特點(diǎn)選擇合理的切削用量。切削用量對刀具壽命的影響主要通過切削溫度的高低來反映。在切削三要素中，切削速度對刀具壽命的影響最大，進(jìn)給量次之，切削深度影響最小。因此，選擇合理的切削參數(shù)是提高刀具的使用壽命，保證零件加工質(zhì)量的必要途徑。

(3)最好在連續(xù)切削工況下使用。應(yīng)用CBN 刀具就必須充分發(fā)揮其性能，但有時(shí)候零件結(jié)構(gòu)等因素又會限制這種發(fā)揮。鼠牙盤等盤套類工件因?yàn)槎嗣嬗新葆斂椎龋毒咔邢鞴r較差，刀具受沖擊力較大，車削不夠穩(wěn)定，切削速度也相應(yīng)地降低，常常出現(xiàn)刀尖崩刃而損壞刀片。另外，斷續(xù)車削引起溫度變化過大，以及在冷卻液供應(yīng)不充分的情況下，也能引起刀刃崩碎和工件加工表面粗糙，考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，一般情況下復(fù)合式CBN 刀具盡量不用于強(qiáng)間斷車削工況。

(4)濕式切削時(shí)，切削液要澆足，注意刀尖部位不能強(qiáng)行冷卻，避免刀尖崩刃破碎。

5 結(jié)語

立方氮化硼刀具以其較高的硬度、優(yōu)異的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高速切削、干式切削、硬態(tài)切削等綠色制造的要求。在提高加工效率的同時(shí)極大地節(jié)約生產(chǎn)成本，成為淬硬鋼切削加工或超精加工中不可缺少的選擇，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

［1］鄭文虎.機(jī)械加工實(shí)用經(jīng)驗(yàn)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.