數(shù)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(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)，產(chǎn)品性能取決于零件表面質(zhì)量。對具有高硬度的淬火模具機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)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(xù)切削過程，對斷續(xù)切削加工表面粗糙度影響因素研究較少。由于影響斷續(xù)切削加工因素較多，對斷續(xù)加工淬硬鋼表面粗糙度研究對提高零件表面質(zhì)量具有理論與現(xiàn)實意義。應(yīng)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(guān)鍵詞：數(shù)控加工;PCBN刀具切削;淬硬鋼

PCBN廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，專用高速機(jī)床，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的自動化生產(chǎn)線，用于高硬度材料切削加工。用PCBN刀具實施硬態(tài)切削可改變傳統(tǒng)制造工序，提高生產(chǎn)效率。國內(nèi)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(biāo)，實驗可讓生產(chǎn)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(yè)的發(fā)展需求，材料科學(xué)不斷創(chuàng)新，各種高硬度耐高溫腐蝕新材料不斷出現(xiàn)，其中包含多組元的合金元素，含有金屬與非金屬復(fù)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(yè)、能源汽車等許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于其硬度較高，采用硬質(zhì)合金等普通刀具加工易導(dǎo)致刀具磨損，嚴(yán)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(jié)合，經(jīng)高壓作用形成燒結(jié)體。其優(yōu)點是耐沖擊性能良好，對鐵元素表現(xiàn)不穩(wěn)定化學(xué)惰性。使用PCBN材料制成切削刀具加工機(jī)械零部件可承受機(jī)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(yōu)良耐磨性保證刀具幾何尺寸不變，提高加工零件表面質(zhì)量，增長加工工件效率。表面粗糙度在評判表面質(zhì)量優(yōu)劣技術(shù)指標(biāo)中簡單易測，是檢測表面質(zhì)量指標(biāo)中的直觀項目，制造業(yè)將表面粗糙度作為關(guān)鍵目標(biāo)進(jìn)行研究[2]。

近年來零部件表面粗糙度研究主要針對連續(xù)切削加工，很多硬態(tài)切削加工包括斷續(xù)切削情況，如對齒輪端面加工等，隨著鑄造技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，汽車金屬零部件斷續(xù)切削加工日益普遍，斷續(xù)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(zhì)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(chǎn)生不同的表面粗糙度，切削量等參數(shù)通常根據(jù)實踐經(jīng)驗，切削量過大會導(dǎo)致較大粗糙度影響工件表面質(zhì)量。工人往往根據(jù)經(jīng)驗選擇保守的加工參數(shù)難以達(dá)到精度要求。研究結(jié)合正交試驗法，探索斷續(xù)切削加工淬硬鋼最優(yōu)切削加工參數(shù)組合，實現(xiàn)斷續(xù)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(shù)控車床上進(jìn)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(tǒng)。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(chǎn)生熱電勢送至信號采集系統(tǒng)。

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(jié)構(gòu)形式，采用PCBN制成刀具，刀具參數(shù)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(jìn)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(shù)，收集切屑觀察形態(tài)。

對切削測得切削力與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行同水平值求均值，得到進(jìn)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），F(xiàn)z（N）降低，隨著進(jìn)給量f增加引起切削力增大，F(xiàn)y（N）與Fz（N）變化趨勢明顯，隨著切深ap（mm）增大引起Fx（N），F(xiàn)y（N），F(xiàn)z（N）增大，與切深ap呈線性關(guān)系。隨著切削速度增加，溫度線性增加，隨著進(jìn)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(tài)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(xiàn)硬化現(xiàn)象，提高速度形成溫度升高趨勢，速度一定值溫度升高，導(dǎo)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(jìn)給速度以每轉(zhuǎn)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(jìn)給速度增大導(dǎo)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(jìn)給量增大厚度增大。與進(jìn)給量關(guān)系為ac=fsink，f—進(jìn)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(jìn)給量無關(guān)。

切削消耗功轉(zhuǎn)化為熱能，熱來源有內(nèi)外摩擦熱，工件與切屑彈性變形產(chǎn)生熱，切屑與刀具前面，加工表面與刀副后面摩擦產(chǎn)生熱。切削熱由切屑帶走，切削熱使工藝系統(tǒng)溫度升高造成刀具磨損。切削溫度隨速度增加，進(jìn)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(qū)產(chǎn)生熱量比例變大，切屑不能帶走全部熱量導(dǎo)致切削區(qū)溫度升高。產(chǎn)生擠裂切屑說明材料未得到足夠延展，硬態(tài)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(fā)軟化具有流動性，前刀面表現(xiàn)光滑帶狀。獲得較好切屑需要減小切削深度，減小進(jìn)給量。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)，2016.

[2]王亮.淬硬鋼精密車削加工的振動預(yù)測建模與參數(shù)優(yōu)化[D].佳木斯大學(xué)，2016.

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院2020年青年基金：吉農(nóng)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(jī)械電子。