数控车PCBN刀具切削淬硬高速钢车削的试验研究

魏占胜 孙晓雪 常影 王戬 王炟 黄初焕 唐海亮

摘 要：表面粗糙度是衡量表面质量的重要技术指标，产品性能取决于零件表面质量。对具有高硬度的淬火模具机械产品进行切削加工时，切削刀具类型，加工方式等影响表面粗糙度，目前各国专家对表面粗糙度的研究集中于连续切削过程，对断续切削加工表面粗糙度影响因素研究较少。由于影响断续切削加工因素较多，对断续加工淬硬钢表面粗糙度研究对提高零件表面质量具有理论与现实意义。应用正交试验研究PCBN刀具车削高速钢切削力，表明切削深度增加引起切削力增大，速度增加引起切削力减小。

关键词：数控加工;PCBN刀具切削;淬硬钢

PCBN广泛应用于数控机床，专用高速机床，柔性生产系统为基础的自动化生产线，用于高硬度材料切削加工。用PCBN刀具实施硬态切削可改变传统制造工序，提高生产效率。国内未推广使用新型硬刀具材料，原因是工厂缺乏对PCBN刀具切削性能的了解。切削淬硬钢时切削力特征是刀具衡量切削性能的重要指标，实验可让生产单位理解使用工作状况，选用红硬性较好的高速钢为工件材料，研究刀具车削中切削力与温度。

1 PCBN刀具切削淬硬钢的研究

随着工业的发展需求，材料科学不断创新，各种高硬度耐高温腐蚀新材料不断出现，其中包含多组元的合金元素，含有金属与非金属复合材料为高硬材料。淬火钢是高硬材料种类，包括普通淬火钢、轴承钢等。在装备制造业、能源汽车等许多领域广泛应用。由于其硬度较高，采用硬质合金等普通刀具加工易导致刀具磨损，严重影响刀具使用寿命[1]。

基于刀具切削时的缺陷，需要选择硬度高的刀具材料，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与微粉的结合，经高压作用形成烧结体。其优点是耐冲击性能良好，对铁元素表现不稳定化学惰性。使用PCBN材料制成切削刀具加工机械零部件可承受机床高速度运行，对硬度较高的工件材料切削加工非常容易。如硬度在HRC45以上淬硬钢等工件材料，其优良耐磨性保证刀具几何尺寸不变，提高加工零件表面质量，增长加工工件效率。表面粗糙度在评判表面质量优劣技术指标中简单易测，是检测表面质量指标中的直观项目，制造业将表面粗糙度作为关键目标进行研究[2]。

近年来零部件表面粗糙度研究主要针对连续切削加工，很多硬态切削加工包括断续切削情况，如对齿轮端面加工等，隨着铸造技术发展进步，汽车金属零部件断续切削加工日益普遍，断续切削加工中刀具频繁间断切入，造成刀具磨损剧烈，要想提高零件使用性能必须提升零件表面质量。零部件加工中影响表面粗糙度的因素众多，如刀具材料类型，切削量等使零部件产生不同的表面粗糙度，切削量等参数通常根据实践经验，切削量过大会导致较大粗糙度影响工件表面质量。工人往往根据经验选择保守的加工参数难以达到精度要求。研究结合正交试验法，探索断续切削加工淬硬钢最优切削加工参数组合，实现断续切削加工中获得更好的精密性。

2 PCBN刀具切削高速淬硬钢实验

实验在数控车床上进行，切削力利用压电晶体测力仪测量，测得信号送至采集系统。通过测力仪测得加工方向的轴向力Fx，径向力Fy，切削力Fz。切削温度测量采用自然热电偶法测量，切削时产生热电势送至信号采集系统。

由于PCBN刀具抗冲击性能力较差，常对PCBN刀具刃口做倒棱处理，得到典型的PCBN刀具结构形式，采用PCBN制成刀具，刀具参数前后角V0=T0=0°，刀尖圆弧V≤0.4，Kv=75°，Voi=-6°。选用淬硬钢W18Cr4V二维试验用工件材料，淬硬硬度为HRC58-64，先用刀具去掉工件表面不平表层，在小切深下进行精加工。采用正交实验法，选用L16（43）正交表安排切削实验，水平值覆盖常用切削参数，收集切屑观察形态。

对切削测得切削力与温度数据进行同水平值求均值，得到进给量在不同值时对实验考查切削力。切屑速度增加引起Fy（N），Fz（N）降低，随着进给量f增加引起切削力增大，Fy（N）与Fz（N）变化趋势明显，随着切深ap（mm）增大引起Fx（N），Fy（N），Fz（N）增大，与切深ap呈线性关系。随着切削速度增加，温度线性增加，随着进给量增加，温度线性升高。切削深度较大温度升高。PCBN刀具切削淬硬钢切屑形态为锯齿形挤裂，切削深度小三角形不明显。

3 切削实验分析

PCBN刀具切削淬硬钢时，随着速度提高主切削力显示降低趋势，速度较大时切削力降低。原因是工件材料为淬硬高速钢，加工中难以出现硬化现象，提高速度形成温度升高趋势，速度一定值温度升高，导致材料硬度下降。切削温度上升改善刀屑摩擦变形，附加变形减小。

轴向切削力速度为2m/s时较大，切削速度较高轴向力较小，由工件材料软化造成。切削速度较低，切削力较低，因进给速度以每转固定量计算，低速轴向切削力随着速度提高增大。切削速度2m/s时，进给速度增大导致轴向切削力增大。切削速度2m/s以上，工件材料软化形成切削力降低，未观察到切削力随速度增加波浪曲线。进给量增大厚度增大。与进给量关系为ac=fsink，f—进给量;ac—切削厚度;kr—主偏角。加工表面与副切削刃接触长度增加，刀具前刀面受到工件弹性变形抵抗力变大，切削力径向力增长，主切削刃长度不变，轴向力变化与进给量无关。

切削消耗功转化为热能，热来源有内外摩擦热，工件与切屑弹性变形产生热，切屑与刀具前面，加工表面与刀副后面摩擦产生热。切削热由切屑带走，切削热使工艺系统温度升高造成刀具磨损。切削温度随速度增加，进给量对温度影响小。深度小时温度未降低，深度很小时，径向轴向力大，第三变形区产生热量比例变大，切屑不能带走全部热量导致切削区温度升高。产生挤裂切屑说明材料未得到足够延展，硬态切屑形成伴随切削力分量波动，作用在前刀面切削力变化，切削中温度较高，切屑发软化具有流动性，前刀面表现光滑带状。获得较好切屑需要减小切削深度，减小进给量。

参考文献：

[1]魏铁军.基于正交试验的45钢车削表面粗糙度的研究[D].苏州大学，2016.

[2]王亮.淬硬钢精密车削加工的振动预测建模与参数优化[D].佳木斯大学，2016.

吉林农业科技学院2020年青年基金：吉农院合字第[20200011]号

作者简介：魏占胜（1988-），男，吉林人，硕士研究生，助教，研究方向：机械电子。