硬旋銑PCBN 刀具刃口鈍化試驗(yàn)研究

陸 斌，陳潤澤，宋樹權(quán)

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212023；2.鹽城工學(xué)院機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

1 引言

滾珠絲杠是重要的傳動(dòng)件之一，在各種工業(yè)裝備中廣泛應(yīng)用[1]，特別是航空航天、高速交通、船舶等領(lǐng)域的超大型制造裝備。在加工制造大型滾珠絲杠時(shí)，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，具有加工精度要求高、切削占用工時(shí)多、加工難度大等特點(diǎn)，硬旋銑技術(shù)已經(jīng)成為其主要的加工方法。硬旋銑技術(shù)采用PCBN 等超硬刀具對硬度60HRC 以上的淬火工件實(shí)施切削，減少磨削和多余的熱處理工序，滿足高效和綠色環(huán)保的要求[2]。硬旋銑具有切屑輕薄，切削力小，材料去除率高以及切削熱量散失快等優(yōu)點(diǎn)。但硬旋銑的時(shí)變斷續(xù)硬態(tài)切削特性使得切削刀具易破損，成為制約其加工質(zhì)量提高的瓶頸問題之一。

刀具刃口鈍化技術(shù)在延長刀具使用壽命方面效果顯著[3]，受到越來越多的重視。刃口鈍化可以去除刀具刃口上的不足，增加刃口穩(wěn)定性，使前、后刀面分擔(dān)刃口部分機(jī)械載荷，減少刀具非正常失效[4]，是解決硬旋銑加工刀具早期失效問題的重要新方法。文獻(xiàn)[5]在切削LFRP 復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，切削力和刀具刃口成正比。文獻(xiàn)[6]研究了刃口半徑對切削力的影響規(guī)律，提出了切削力預(yù)報(bào)模型。文獻(xiàn)[7]制備不同半徑刃口對工件影響。文獻(xiàn)[8]得出鈍化參數(shù)對刃口的作用規(guī)律。文獻(xiàn)[9]研究了刃口鈍化刀具切削TiAl6V4 的加工過程，發(fā)現(xiàn)刀-屑間摩擦系數(shù)受到刃口半徑和切削速度的影響，切削力隨著刃口半徑的增大而增大，進(jìn)給抗力對刃口半徑變化更敏感。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為切削工件時(shí)，刀具刃口半徑越大，阻尼系數(shù)越大，切削穩(wěn)定性越高。

刀具刃口非均勻鈍化是解決上述問題的關(guān)鍵，但是目前對于刀具刃口材料非均勻去除研究較少，難以實(shí)現(xiàn)非均勻精準(zhǔn)鈍化刀具刃口。文章采用正交試驗(yàn)，研究鈍化參數(shù)對刃口材料去除作用規(guī)律。建立刀具刃口材料去除經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用方差分析法?yàn)證模型的有效性。使用形狀測量激光顯微鏡分析鈍化前后刃口表面粗糙度，總結(jié)表面粗糙度的變化規(guī)律，為后期非均勻刃口鈍化試驗(yàn)提供依據(jù)。

2 刀具刃口鈍化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件及內(nèi)容

2.1.1 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)設(shè)備四軸研磨機(jī)，形狀測量激光顯微鏡，夾具，金剛砂砂紙。

（2）試驗(yàn)刀具PCBN 刀具，如圖1 所示。材料為DI 的DBW85。

圖1 PCBN 刀具Fig.1 PCBN Tool

2.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）選用9 把相同的PCBN 刀具，使用的形狀測量激光顯微鏡，利用夾具將PCBN 刀具刃口固定，選定合適的基準(zhǔn)，使用VK分析軟件分別測出9 把刀具的原始刃口高度以及刃口表面粗糙度，并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，如圖2 所示。（2）PCBN 刀具鈍化采用四軸研磨機(jī)。刀具安裝固定在升降桿上。不同粒度的金剛砂砂紙安裝在研磨盤上，如圖3 所示。通過改變鈍化速度，鈍化時(shí)間以及磨粒粒度讓刀具刃口進(jìn)行鈍化。（3）使用形狀測量激光顯微鏡測量鈍化后的刀具以及表面粗糙度，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并分析。和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分別選出每組鈍化前后的最高點(diǎn)位置，以最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，上下取100 個(gè)點(diǎn)。檢測試驗(yàn)前后材料的去除。第一組的鈍化前后相對高度，如圖4 所示。

圖2 形狀測量激光顯微鏡Fig.2 Shape Measurement Laser Microscope

圖3 四軸研磨機(jī)Fig.3 Four-Axis Grinding Machine

圖4 鈍化前后相對高度對比Fig.4 Comparison of Relative Height Before and After Passivation

2.2 鈍化正交試驗(yàn)及結(jié)果

說明對于刀具刃口材料去除參數(shù)中，鈍化時(shí)間影響比較顯著，其次是鈍化速度，磨粒粒度對材料去除的影響是較小的，如表1 所示。

表1 刀具鈍化正交試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Orthogonal Test and Test Results of Tool Passivation

3 PCBN 刀具刃口去除機(jī)理及去除模型

3.1 PCBN 刀具刃口去除機(jī)理

PCBN 刀具刃口去除主要包括氧化去除、粘結(jié)去除、磨粒去除等。刀具刃口隨著溫度的上升，會(huì)緩慢進(jìn)入氧化階段。PCBN 刀具在鈍化時(shí)主要的去除形式是粘結(jié)去除，存在的氧化去除會(huì)加劇材料去除。PCBN 刀具刃口表面有很多微小的CBN 晶體和粘接劑組成。在高溫條件加工下，存在被加工工件表面硬度不均勻等特性，會(huì)使刃口的粘接劑被去除，導(dǎo)致表面CBN 晶體裸露，在鈍化過程中導(dǎo)致其剝落，如圖5 所示。

圖5 粘結(jié)磨損示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Bond Wear

3.2 PCBN 刀具刃口材料去除模型

在材料去除的過程中，去除量Y 與鈍化速度v、鈍化時(shí)間t和磨粒粒度u 關(guān)系表達(dá)式：

式中：k、a、b、c—常數(shù)。

為了求出a、b、c 的具體值，首先對兩邊作變換得到：

分別設(shè)y=lgY，x1=lgv，x2=lgt，x3=lgu，D=lgk

利用SPSS 數(shù)據(jù)分析軟件，可以求出a，b，c 的值分別為：

判斷材料去除模型是否準(zhǔn)確，利用F 檢驗(yàn)來判定去除模型的回歸效果。Significance F（顯著統(tǒng)計(jì)量）=0.0343<0.05。滿足F 檢驗(yàn)條件，所以建立的材料去除模型是顯著有效的。

4 鈍化參數(shù)對刀具刃口表面粗糙度的影響

為了得到刀具刃口表面粗糙度在不同鈍化參數(shù)鈍化前后的影響規(guī)律，采用單因素試驗(yàn)，分別把鈍化速度、鈍化時(shí)間、磨粒粒度作為自變量，得出表面粗糙度的變化。

鈍化參數(shù)對PCBN 刀具刃口材料去除的曲線圖，如圖6 所示。鈍化速度在50r/min 時(shí)，表面粗糙度大小隨速度增加而逐漸減小，如圖6（a）所示。在150r/min 時(shí)，刃口表面粗糙度最低。當(dāng)鈍化速度大于150r/min，刃口表面粗糙度急劇上升，如圖6（b）所示。當(dāng)磨粒粒度小于15μm 時(shí)，隨著磨粒粒度的增加，刀具刃口表面粗糙度也隨之降低；當(dāng)磨粒粒度大于15μm 時(shí)，隨著磨粒粒度的增加，表面粗糙度也隨之增加，如圖6（c）所示。當(dāng)鈍化時(shí)間小于10min 時(shí)，隨著鈍化時(shí)間的增加，PCBN 刀具刃口的表面粗糙度急劇降低；當(dāng)鈍化時(shí)間大于10min 時(shí)，刀具刃口表面粗糙度也逐漸降低，但對于前者降低幅度有所減少。

圖6 鈍化參數(shù)對PCBN 刀具刃口材料去除曲線圖Fig.6 Passivation Parameters for PCBN Tool Edge Material Removal Curve

5 結(jié)語

綜上所述，采用四軸研磨機(jī)對PCBN 刀具刃口進(jìn)行材料去除，使用形狀測量激光顯微鏡測量并分析結(jié)果，結(jié)論如下：（1）對于刀具刃口材料去除，鈍化時(shí)間影響顯著，其次是鈍化速度，磨粒粒度對材料去除的影響是較小的。（2）采用數(shù)學(xué)回歸的方法建立鈍化參數(shù)對材料去除的模型，通過方差分析中F 檢驗(yàn)的方法驗(yàn)證了整體的回歸方程是顯著有效的。（3）得出鈍化參數(shù)對PCBN 刀具刃口表面粗糙度的作用規(guī)律。當(dāng)鈍化速度為150r/min、鈍化時(shí)間為20min、磨粒粒度為15μm 時(shí)，可以獲得較理想的PCBN 刀具刃口表面質(zhì)量。