硬旋铣PCBN 刀具刃口钝化试验研究

陆 斌，陈润泽，宋树权

（1.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212023；2.盐城工学院机械优集学院，江苏 盐城 224051）

1 引言

滚珠丝杠是重要的传动件之一，在各种工业装备中广泛应用[1]，特别是航空航天、高速交通、船舶等领域的超大型制造装备。在加工制造大型滚珠丝杠时，由于其特殊的应用环境，具有加工精度要求高、切削占用工时多、加工难度大等特点，硬旋铣技术已经成为其主要的加工方法。硬旋铣技术采用PCBN 等超硬刀具对硬度60HRC 以上的淬火工件实施切削，减少磨削和多余的热处理工序，满足高效和绿色环保的要求[2]。硬旋铣具有切屑轻薄，切削力小，材料去除率高以及切削热量散失快等优点。但硬旋铣的时变断续硬态切削特性使得切削刀具易破损，成为制约其加工质量提高的瓶颈问题之一。

刀具刃口钝化技术在延长刀具使用寿命方面效果显著[3]，受到越来越多的重视。刃口钝化可以去除刀具刃口上的不足，增加刃口稳定性，使前、后刀面分担刃口部分机械载荷，减少刀具非正常失效[4]，是解决硬旋铣加工刀具早期失效问题的重要新方法。文献[5]在切削LFRP 复合材料时发现，切削力和刀具刃口成正比。文献[6]研究了刃口半径对切削力的影响规律，提出了切削力预报模型。文献[7]制备不同半径刃口对工件影响。文献[8]得出钝化参数对刃口的作用规律。文献[9]研究了刃口钝化刀具切削TiAl6V4 的加工过程，发现刀-屑间摩擦系数受到刃口半径和切削速度的影响，切削力随着刃口半径的增大而增大，进给抗力对刃口半径变化更敏感。文献[10]认为切削工件时，刀具刃口半径越大，阻尼系数越大，切削稳定性越高。

刀具刃口非均匀钝化是解决上述问题的关键，但是目前对于刀具刃口材料非均匀去除研究较少，难以实现非均匀精准钝化刀具刃口。文章采用正交试验，研究钝化参数对刃口材料去除作用规律。建立刀具刃口材料去除经验模型，利用方差分析法验证模型的有效性。使用形状测量激光显微镜分析钝化前后刃口表面粗糙度，总结表面粗糙度的变化规律，为后期非均匀刃口钝化试验提供依据。

2 刀具刃口钝化试验

2.1 试验条件及内容

2.1.1 试验条件

（1）试验设备四轴研磨机，形状测量激光显微镜，夹具，金刚砂砂纸。

（2）试验刀具PCBN 刀具，如图1 所示。材料为DI 的DBW85。

图1 PCBN 刀具Fig.1 PCBN Tool

2.1.2 试验内容

（1）选用9 把相同的PCBN 刀具，使用的形状测量激光显微镜，利用夹具将PCBN 刀具刃口固定，选定合适的基准，使用VK分析软件分别测出9 把刀具的原始刃口高度以及刃口表面粗糙度，并记录相关的数据，如图2 所示。（2）PCBN 刀具钝化采用四轴研磨机。刀具安装固定在升降杆上。不同粒度的金刚砂砂纸安装在研磨盘上，如图3 所示。通过改变钝化速度，钝化时间以及磨粒粒度让刀具刃口进行钝化。（3）使用形状测量激光显微镜测量钝化后的刀具以及表面粗糙度，记录相关数据并分析。和原始数据进行对比，分别选出每组钝化前后的最高点位置，以最高点为基准，上下取100 个点。检测试验前后材料的去除。第一组的钝化前后相对高度，如图4 所示。

图2 形状测量激光显微镜Fig.2 Shape Measurement Laser Microscope

图3 四轴研磨机Fig.3 Four-Axis Grinding Machine

图4 钝化前后相对高度对比Fig.4 Comparison of Relative Height Before and After Passivation

2.2 钝化正交试验及结果

说明对于刀具刃口材料去除参数中，钝化时间影响比较显著，其次是钝化速度，磨粒粒度对材料去除的影响是较小的，如表1 所示。

表1 刀具钝化正交试验及试验结果Tab.1 Orthogonal Test and Test Results of Tool Passivation

3 PCBN 刀具刃口去除机理及去除模型

3.1 PCBN 刀具刃口去除机理

PCBN 刀具刃口去除主要包括氧化去除、粘结去除、磨粒去除等。刀具刃口随着温度的上升，会缓慢进入氧化阶段。PCBN 刀具在钝化时主要的去除形式是粘结去除，存在的氧化去除会加剧材料去除。PCBN 刀具刃口表面有很多微小的CBN 晶体和粘接剂组成。在高温条件加工下，存在被加工工件表面硬度不均匀等特性，会使刃口的粘接剂被去除，导致表面CBN 晶体裸露，在钝化过程中导致其剥落，如图5 所示。

图5 粘结磨损示意图Fig.5 Schematic Diagram of Bond Wear

3.2 PCBN 刀具刃口材料去除模型

在材料去除的过程中，去除量Y 与钝化速度v、钝化时间t和磨粒粒度u 关系表达式：

式中：k、a、b、c—常数。

为了求出a、b、c 的具体值，首先对两边作变换得到：

分别设y=lgY，x1=lgv，x2=lgt，x3=lgu，D=lgk

利用SPSS 数据分析软件，可以求出a，b，c 的值分别为：

判断材料去除模型是否准确，利用F 检验来判定去除模型的回归效果。Significance F（显著统计量）=0.0343<0.05。满足F 检验条件，所以建立的材料去除模型是显著有效的。

4 钝化参数对刀具刃口表面粗糙度的影响

为了得到刀具刃口表面粗糙度在不同钝化参数钝化前后的影响规律，采用单因素试验，分别把钝化速度、钝化时间、磨粒粒度作为自变量，得出表面粗糙度的变化。

钝化参数对PCBN 刀具刃口材料去除的曲线图，如图6 所示。钝化速度在50r/min 时，表面粗糙度大小随速度增加而逐渐减小，如图6（a）所示。在150r/min 时，刃口表面粗糙度最低。当钝化速度大于150r/min，刃口表面粗糙度急剧上升，如图6（b）所示。当磨粒粒度小于15μm 时，随着磨粒粒度的增加，刀具刃口表面粗糙度也随之降低；当磨粒粒度大于15μm 时，随着磨粒粒度的增加，表面粗糙度也随之增加，如图6（c）所示。当钝化时间小于10min 时，随着钝化时间的增加，PCBN 刀具刃口的表面粗糙度急剧降低；当钝化时间大于10min 时，刀具刃口表面粗糙度也逐渐降低，但对于前者降低幅度有所减少。

图6 钝化参数对PCBN 刀具刃口材料去除曲线图Fig.6 Passivation Parameters for PCBN Tool Edge Material Removal Curve

5 结语

综上所述，采用四轴研磨机对PCBN 刀具刃口进行材料去除，使用形状测量激光显微镜测量并分析结果，结论如下：（1）对于刀具刃口材料去除，钝化时间影响显著，其次是钝化速度，磨粒粒度对材料去除的影响是较小的。（2）采用数学回归的方法建立钝化参数对材料去除的模型，通过方差分析中F 检验的方法验证了整体的回归方程是显著有效的。（3）得出钝化参数对PCBN 刀具刃口表面粗糙度的作用规律。当钝化速度为150r/min、钝化时间为20min、磨粒粒度为15μm 时，可以获得较理想的PCBN 刀具刃口表面质量。