CBN車削刀具加工淬硬鋼的磨損分析

楊成

1. 機械工業(yè)第九設計研究院股份有限公司 吉林長春 130011

2. 吉林工業(yè)大學 吉林長春 130022

1 序言

得益于硬車削的諸多優(yōu)點、機床剛度的提高以及陶瓷和立方氮化硼（CBN）刀具的發(fā)展，切削加工淬硬鋼取代了許多磨削工藝。盡管硬車削需要很小的背吃刀量和進給量，但硬車削中的材料去除率還是遠高于磨削。據(jù)估計，加工時間可縮短60%[1]。與磨削相比，車削工藝的靈活性增強也會導致所需機床數(shù)量的減少[2]。同時，減少切削液的使用是硬車削的另一個重要的經(jīng)濟和環(huán)保優(yōu)勢。

硬車削所需的刀具相對昂貴，因此研究刀具壽命以保證硬車削的經(jīng)濟合理性是非常重要的。無論能達到的尺寸精度和表面質量如何，硬車削如果成本太高，則將無法代替磨削工藝。如果切削條件的選擇不當，將會導致刀具過度磨損并抵消節(jié)約的成本。但保守的切削條件也會降低生產(chǎn)率故而增加成本[3]。由于最佳切削條件的選擇必須在生產(chǎn)率和刀具壽命之間進行權衡，因此需要研究切削條件對不同硬質刀具材料磨損的影響。

2 試驗條件

本次試驗選取了19個未涂層和陶瓷涂層CBN刀具進行壽命測試。選擇了不同的切削速度和進給量的高低值，而在所有試驗中背吃刀量都保持在一個合理的值，涂層CBN刀片還測試了中間的速度和進給組合，以測試刀具故障的重復性。對5種不同等級的CBN刀具進行了評價。這些刀具是由兩個不同的供應商提供的，標記為“A”和“B”。測試的無涂層刀具為典型的低CBN含量刀具。這些低CBN含量陶瓷黏合劑材料刀具的CBN百分比約為65%。試驗中所用的刀具包括：低CBN含量基板上具有TiAlN涂層刀具、TiN涂層刀具及無涂層低CBN含量的刀具，這些刀具在切削刃上有一個特殊的幾何形狀修光刃。修光刃的幾何結構允許其在不犧牲進給量的情況下改善表面粗糙度。所有切削刀片均為80°菱形，刀尖半徑為0.8mm，刃口倒角為20°～25°，寬度為0.1mm。刀架提供-5°側、后傾角。工件材料為AISI 52100管材，硬化至約62HRC。試驗切削條件見表1。

表1 試驗切削條件

3 弧坑磨損

圖1、圖2顯示了刀具壽命期間內不同階段的光學顯微照片，圖中的刀具均在切削速度91m/min和進給量0.152mm/r的條件下試驗。

圖1 條件11刀具磨損過程

圖2 條件6刀具磨損過程

圖1顯示了低C B N含量刀具上的弧坑磨損過程。這種類型的磨損過程是未涂層低CBN含量刀具的典型情況。在圖1a中，弧坑開始在與工件接觸的刀具區(qū)域形成，幾乎只沿邊緣倒角發(fā)生。圖1b顯示，隨著切割的繼續(xù)，弧坑逐漸變大，越來越深。隨著弧坑磨損的發(fā)展，正前角的邊緣倒角幾何形狀變弱且銳利。這種變化導致了刀具的弱化及失效。

兩個供應商的未涂層刀具形成光滑的弧坑和側面，沒有明顯的碎屑。陶瓷涂層CBN刀具最初并沒有形成光滑的表面，在涂層表面磨損到CBN基底之前，顯示出明顯的碎屑。一旦弧坑區(qū)域的涂層表面磨損，進一步的磨損過程與未涂層刀具的磨損非常相似。如圖2所示，陶瓷涂層幾乎在切割開始后立即發(fā)生剝落。隨著涂層的磨損，側面磨損率沒有明顯變化，但一旦涂層消失，則弧坑增加。

4 刀具故障

雖然光學顯微照片允許觀察切邊，但不能提供切削刃幾何形狀變化的重要信息。利用ZYGO干涉儀可以獲得刀具的三維圖像。圖3顯示了未涂層刀具的弧坑磨損過程。隨著弧坑的形成，存在于刃口倒角處的負幾何體在刃口尖端轉變?yōu)榧怃J的正幾何體。這種刃口幾何形狀的變化削弱了刀具的性能，最終導致刀具在刃口薄弱處斷裂而失效。

圖3 3ZYGO干涉儀測量磨損

5 刀具壽命

刀具的刃口斷裂即判定為失效。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)刀具在發(fā)生刃口失效時，其最大側邊距測量值為0.15～0.2mm。刀具壽命結果見表2。

表2 刀具壽命結果

結果表明，切削速度對刀具壽命的影響遠大于進給量對刀具壽命的影響。降低切削速度可顯著改善所有刀具的累積切削時間和切削體積。降低進給量使切削時間增加，但對于刀具壽命仍有改善。然而，從刀具失效前去除的材料量來衡量刀具性能，則會產(chǎn)生不同的效果：從表2中指標可以看到，進給量的減少實際上惡化了每個刀具的性能，對于大多數(shù)使用情況，保證合理的進給量是一個更明智的選擇，因為它直接關系到每個切削刃可以加工的零件數(shù)量。將刀具失效前的累積體積除以每個零件去除的材料量，即可得出可加工零件的數(shù)量，即

式中，n為零件數(shù)量（個）；f為進給量（mm/r）；v為切削速度（m/min）；d為背吃刀量（mm）；T為刀具失效前累積切削時間（min），vpart為每個零件去除的體積（cm3）。

零件數(shù)量必須根據(jù)切削時間和切削條件計算，但切削時間不明確。

為了選擇最佳條件，需要在刀具壽命、去除量和材料去除率之間的權衡。試驗結果顯示，對三者其一最好的條件不一定對另外兩個最好?；诔杀究紤]，優(yōu)化切削條件，由于CBN刀具相對昂貴，因此對刀具壽命的影響非常重要。為此，采用經(jīng)驗泰勒型刀具壽命方程

式中，T為刀具失效前累積切削時間（min）；v為切削速度（m/min）；f為進給量（mm/r）。

利用試驗數(shù)據(jù)，通過修正方程和線性回歸得到式（2）中的常數(shù)。

如果變量定義得當，式（3）的形式與式（4）相同。

試驗刀具壽命與刀具壽命模型預測的誤差可由式（5）定義。

將誤差平方和最小化，可以計算β中包含的常數(shù)。

式（6）中使用了y（lnT）與x（lnv和lnf）的試驗數(shù)據(jù)來計算每個刀具的經(jīng)驗常數(shù)a和b。當一個刀具只在3個條件下使用時，3個經(jīng)驗常數(shù)直接從數(shù)據(jù)中計算出來，由于每個數(shù)據(jù)點都用于計算，因此誤差幾乎為零。對于同樣以中等速度和進給量測試的涂層刀具，回歸結果顯示，刀具壽命值在試驗結果的14%以內。

結果表明，大多數(shù)刀具的切削速度對刀具壽命的影響相似，a值接近-2.5。涂層刀具似乎對切削速度有更大的敏感性。進給量對刀具壽命的影響要小得多，而且在刀具之間似乎有很大的差異。

6 結束語

對5種不同的刀具材料在不同的切削條件下進行了全壽命試驗。低CBN含量刀具、TiN和TiAlN陶瓷涂層CBN刀具以及帶修光刃的刀具均在刀具供應商建議的一系列條件下進行測試。使用光學顯微鏡和白光干涉法在每個刀具的使用壽命期間監(jiān)測刀具磨損，觀察弧坑和側面的磨損痕跡。在低CBN含量的刀具上形成光滑的弧坑表面，逐漸磨損，直至形成弱的刃口幾何形狀并發(fā)生刀具斷裂。TiN和TiAlN涂層刀具均顯示涂層明顯剝落。一旦涂層被磨損，就會在CBN基體上形成光滑的弧坑表面，類似于未涂層刀具的磨損。無涂層帶修光刃刀具的性能與同一供應商的未涂層刀具非常相似，只是在相同情況下刀具壽命較短。

選擇最佳切削參數(shù)必須在生產(chǎn)率和刀具壽命之間取得平衡。一般來說，提高生產(chǎn)率的條件會縮短刀具壽命。為了了解切削條件對刀具壽命的影響，采用了經(jīng)驗泰勒模型。用線性回歸方法從試驗數(shù)據(jù)中得到經(jīng)驗常數(shù)。該模型的壽命預測與試驗結果吻合率在14%以內，表明該模型能夠很好地捕捉切削速度和進給量對刀具壽命的影響。

試驗結果部分表明了工藝條件對不同CBN刀具磨損的影響。可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)，盡量減少與硬車削工藝相關的成本。如前所述，在生產(chǎn)率和刀具壽命之間存在一種折中，改進的表面粗糙度也與去除率相沖突。