PCBN刀具铣削灰铸铁HT200的试验研究

徐媛媛

（广西工业职业技术学院，南宁 530001）

0 引言

超硬刀具PCBN在连续切削方面的研究已取得了较大进展。但是，由于PCBN刀具抗弯强度低、耐冲击能力差，使其在断续切削方面的应用受到了限制。在断续切削中，选择合理的切削用量，防止刀具破损，对提高PCBN刀具使用寿命有着重要意义。

本文采用PCBN刀片铣削灰铸铁，采用单因素试验法对切削速度进行优化，并研究切削速度对PCBN刀具磨损的影响，以期为其他使用者提供参考依据。

1 试验条件

工件材料为HT200(HBS170～240)，在X53K立铣床采用单齿对称铣削。刀具几何参数为：0＝-6°，s＝-7°，0＝8°，r＝75°，倒棱0.1mm，刀片尺寸为16mm× 16mm；铣刀盘直径：Φ125mm。

2 T-VC关系试验

当工件材料、刀具材料和刀具几何参数确定后，在铣削用量中对刀具耐用度T影响最大的是铣削速度VC。增大切削速度，刀具耐用度T就降低。选择合理的切削速度，可以提高刀具使用寿命。

本文采用单因素实验法，固定进给量和背吃刀量（fz＝0.2mm/z, asp＝0.4mm），改变切削速度，研究切削速度与刀具耐用度的关系，6档切削速度VC分别为：147.3m/min，186.5 m/min，235m/min，294.5 m/min，373 m/min，463.15 m/min。PCBN刀具铣削HT200的T-VC关系曲线如图1所示。

图1 PCBN刀具铣削HT200的T-VC关系曲线

从图1可知，PCBN刀具铣削灰铸铁并不遵守泰勒公式，其本身特有的规律是刀具寿命曲线弯曲。在给定的6档切削速度范围内，铣削的速度VC=235m/min时，PCBN刀具耐用度最长为8.78min。

在VC＞235m/min时切削，随着切削速度的增大，刀具耐用度是下降的。在速度低于235m/min切削时，刀具耐用度的变化趋势与切削速度大于235m/min的切削情况同。

但除了VC＝235m/min这档切削速度外，其余5档切削速度（147.3m/min，186.5 m/min， 294.5 m/min，373 m/min，463.15 m/min）与刀具耐用度呈直线关系，即铣削速度增大，刀具耐用度下降。

3 PCBN刀具磨损规律试验

超硬刀具PCBN随着切削时间的增加，铣削灰铸铁过程中刀具也会发生磨损。研究切削速度对PCBN刀具铣削HT200耐用度的影响，同时也要伴随着进行切削速度对PCBN刀具铣削HT200的主、副后刀面的磨损影响试验。

磨损试验取刀片的磨钝标准为VBmax＝0.2mm，改变切削速度，随着切削时间t和切削行程L的增加，记录下主后刀面磨损值VB和副后刀面的磨损值VB'。通过绘制、分析刀具磨损曲线，探讨PCBN刀具铣削灰铸铁的磨损机理。

3.1 主后刀面、副后刀面磨损与切削时间关系试验

PCBN刀具的主后刀面磨损量与切削时间VB-t关系曲线如图2所示， 由图2关系曲线可知：

1）由于PCBN刀具具有耐磨性高的特点，考虑PCBN刀具主要应用于精加工，因此刀具的后刀面的磨钝标准取小值为VBmax＝0.2mm。PCBN刀具的后刀面磨损曲线呈现为两个阶段：初期磨损和正常磨损阶段，并没有出现剧烈磨损阶段。各磨损曲线均显示，主后刀面的磨损比较均匀，磨损较慢。

图2 主后刀面的VB-t关系曲线图

2）一般来说，切削速度越低，刀具磨损越慢，而PCBN刀具并非如此，在相对中等大小切削速度VC3＝235m/min下切削灰铸铁，PCBN刀具的主后刀面磨损为最慢，在达到磨钝标准VBmax＝0.2mm之前，它经历的切削时间最长，其刀具耐用度数值最大。

3）其余的5档切削速度（147.3m/min，186.5 m/min，294.5 m/min，373 m/min，463.15 m/min）下的磨损状况，主后刀面的磨损快慢相当。无论在相对高速切削(VC＞235m/min)还是相对低速切削（VC＜235m/min）时，在磨损初期各曲线情况接近(尤其在VC4＝294.5m/min、VC5＝373m/min下切削的刀具磨损前期)，但磨损中期表现为速度越高者，磨损越快。

4）切削速度不同，达到磨钝标准的切削时间t 不 同，t3＞t1＞t2＞t4＞t5＞t6， 即： 当 以 速 度 VC3＝235m/min切削HT200，主后刀面的磨损最慢，切削时间为最长，以VC1＝147.3m/min速度切削次之，而高速VC6＝463.15m/min达到磨钝标准的切削时间最短。

副后刀面磨损量与切削时间VB'-t关系曲线如图3所示。由图3的副后刀面VB'-t关系曲线可知：最接近理想刀具磨损曲线的是切削速度VC3＝235m/min时的磨损曲线，磨损均匀，切削时间最长，且磨损情况和高速度下的主后刀面磨损情况的相似；以速度为VC5＝373m/min铣削HT200，副后刀面的磨损随着时间的增加比其它速度的磨损稍快；分别以186.5m/min、294.5m/min和 465.15m/min速度铣削时，副后刀面的磨损曲线相似。总体来看，副后刀面磨损变化趋势与主后刀面的基本相同。

图3 副后刀面的VB'-t关系曲线图

3.2 主后刀面、副后刀面磨损与切削行程关系分析

主后刀面、副后刀面磨损量与切削行程关系曲线分别如图4、图5所示。

由图4的主后刀面的VB-L关系曲线可知：PCBN刀具达到相同的磨钝标准之前，高速为 VC6＝463.15m/min铣削时，主后刀面的磨损值与行程近似成正比，且后刀面的磨损速度为最慢，切削行程最长。在速度为VC5＝373m/min和VC3＝235m/min时，两磨损曲线的切削行程也比较长。切削速度为VC1＝147.3m/min时，切削行程为最短。即切削速度越低，切削行程则越短，速度越高，行程越大。采用PCBN刀具切削灰铸铁是可以提高金属切除率和加工效率的。

由图5的副后刀面的VB'-L关系曲线也得出，采用的切削速度最高为VC6＝463.15m/min时，刀具的副后刀面磨损量最均匀，切削行程为最长达2972m。 速 度 为 235m/min、294.5m/min 、373m/min时的副后刀面磨损曲线在前期几乎重合，切削行程约在2000m左右达到磨钝标准。速度越低，切削行程越短，速度为147.3m/min到达磨钝标准时的切削行程仅为1178m。

图4 主后刀面的VB-L关系曲线图

图5 副后刀面的VB'-L关系曲线图

从图4和图5磨损量与切削行程关系曲线分析可知，主、副后刀面磨损规律“反常”——切削速度越高，磨损线的斜率越小，切削行程越长，磨损的变化越是缓慢。究其原因，可用“高速切削”机理来解释：高速切削时，切削热的多被切屑带走，热量传递给刀具的比例降低，使切削温度降低，致使刀具磨损减缓。因此， PCBN刀具是高速铣削灰铸铁的理想材料。

3.3 PCBN刀具铣削HT200磨损原因初探

铣削灰铸铁金相组织若含有铁素体较多时，PCBN刀具会发生扩散磨损，刀具在前刀面形成月牙洼磨损。本试验加工的HT200为珠光体型的铸铁，PCBN刀具磨损主要发生在刀具的后刀面而不是在前刀面，故磨损的主要原因不是扩散磨损，其磨损形式为机械磨损。

在较低速度下切削，后刀面刀具磨损较均匀，值得注意的是，当切削速度较高为VC5＝373m/min和VC6＝463.15m/min时，刀具主切削刃出现一些凹凸点，原因可能为：铣削为断续切削，刀齿切入和切出时都产生冲击，且铸铁为脆性材料，在切削过程中，产生的切屑呈崩碎状，高速铣削下，切屑会对刃口产生很大的交变载荷，造成了PCBN刀具中粘结剂的磨损，使得CBN颗粒的凸起或松动脱落。另外一种原因可能是，刀具在制造过程中，要往添加剂或触媒剂中扩散一些杂质元素（如Si、Ca、Cu等）。这些杂质元素分布于晶界之间，强度相对较弱，而切削铸铁产生崩碎切屑时，切削区的温度在刃口附近较高，在热和冲击力的作用下，PCBN刀具在强度较弱的地方发生了微小晶粒的脱落，形成了PCBN刀具的微裂解磨损。这两种磨损的形成，与铣削过程中切削力的波动、铣削冲击及刀具成分、刀具制造都有密切关系。

4 结论

1）PCBN铣削灰铸铁时并不遵守泰勒公式。其T-VC关系曲线弯曲。除了VC＝235m/min外，PCBN铣削灰铸铁的切削速度与刀具耐用度T之间仍呈线线关系，随着切削速度的增加，刀具耐用度减小。

2）在本文实验条件下，VC＝235m/min时刀具耐用度最长。考虑经济耐用度，PCBN铣削灰铸铁切削速度可为200～250m/min。

3）PCBN刀具铣削HT200主要磨损机理为机械磨损，也伴随着粘结剂磨损或微裂解磨损。

[1] 徐媛媛. 灰铸铁铣削加工PCBN刀具工艺参数研究[D].华中科技大学. 2007.

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