PcBN刀具在干切削中的應(yīng)用研究①

鄧福銘，張 丹，王 強(qiáng)，陸少悌，趙曉凱

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）超硬刀具材料研究所，北京 100083）

1 引言

環(huán)境問(wèn)題和資源問(wèn)題是當(dāng)前和今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間人類社會(huì)面臨的主要問(wèn)題，特別是環(huán)境問(wèn)題對(duì)人類生活造成的危害與日俱增。干切削技術(shù)是為適應(yīng)全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)綠色切削加工技術(shù)。1995年干切削的科學(xué)意義被正式確立，1997年的國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)（CIRP）年會(huì)上，德國(guó)Aachen工業(yè)大學(xué)的F.Klocke教授作了干切削的主題報(bào)告；1999年1月在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金“設(shè)計(jì)與制造學(xué)科”受資助者會(huì)議上，國(guó)際著名的刀具制造廠MAPAL公司的總裁B.P.Erdel博士也作了有關(guān)美國(guó)干切削發(fā)展的主題報(bào)告，干切削技術(shù)已經(jīng)在各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界引起廣泛的關(guān)注［1］。目前，我國(guó)對(duì)干切削技術(shù)的研究還比較少，應(yīng)用也只是傳統(tǒng)的鑄鐵銑削加工。干切削技術(shù)作為一種綠色制造加工工藝，對(duì)于節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境、降低成本具有重要意義。

2 切削液的作用分析

切削液是機(jī)械加工中重要的輔助材料，其主要作用為：

（1）潤(rùn)滑作用 在機(jī)械加工中，切削液滲入到切屑、工件與刀具的接觸表面并粘附在金屬表面上，形成潤(rùn)滑膜，可以減少摩擦，減輕粘結(jié)現(xiàn)象并抑制積屑瘤的產(chǎn)生，降低工件表面粗糙度，減小切削力；

（2）冷卻作用 切削過(guò)程中所消耗的功，90%以上都化為切削熱，切削液能有效地將切削熱從切屑區(qū)帶走，從而降低切削區(qū)的溫度，提高刀具的壽命和工件的加工精度；

（3）協(xié)助斷屑、排屑 在切削過(guò)程中常產(chǎn)生一些細(xì)小的切屑，這些細(xì)小切屑會(huì)粘連在工件和刀具上，對(duì)加工造成不利影響。切削液的排屑、清洗作用可將這些切屑沖出加工區(qū)，從而提高加工質(zhì)量和刀具壽命。

（4）防銹作用 空氣中含有一定的水分，切削液大多數(shù)也是水基的，為防止工件和刀具銹蝕，常加入一些添加劑，使切削液具有防銹作用。

切削液在機(jī)加工中起著很重要的作用，但隨著切削液用量的增加，它的負(fù)面影響也越來(lái)越顯著，主要表現(xiàn)在：

①增加了制造成本 隨著切削量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。國(guó)外許多統(tǒng)計(jì)資料表明，切削液及切削液的供給、保養(yǎng)、回收及切削廢液的處理等費(fèi)用加在一起，占總制造成本的16%，而刀具消耗的費(fèi)用僅占制造成本的4%［2］。

②長(zhǎng)期暴露在空氣中的磨削液、合成切削液，尤其是霧狀切削液會(huì)對(duì)操作者的健康造成危害，引起工人呼吸系統(tǒng)或皮膚疾病，同時(shí)還會(huì)造成工作場(chǎng)地、局部環(huán)境（水、壤、氣等）污染。

在切削加工中，切削液的潤(rùn)滑作用只有5%，而其余的作用則是幫助排屑。因此，干切削是降低成本、消除切削液污染、實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的有效途徑。

3 PcBN刀具在干切削中的應(yīng)用

3.1 干切削對(duì)刀具、工件和機(jī)床的要求

干式切削是隨著刀具材料，特別是隨著耐高溫刀具材料的不斷進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的。干式切削就是不用切削液，利用特定的刀具及其相關(guān)加工技術(shù)獲得理想的加工效果。其機(jī)理是由于切削速度很高，產(chǎn)生熱量聚集于刀具前部，使切削區(qū)附近工件材料達(dá)到紅熱狀態(tài)，屈服強(qiáng)度下降，進(jìn)而達(dá)到提高切削效率的效果。采用紅熱干切削工藝的前提條件是在較高切削溫度下，被切材料強(qiáng)度有明顯下降，變得易切削，而刀具材料在同樣狀態(tài)下要有較好的紅硬性及熱穩(wěn)定性，即有較好的耐磨性和抗粘結(jié)性。

cBN是目前硬度僅次于金剛石的超硬材料，而PcBN又是以cBN作為主要成分在高溫超高壓條件下經(jīng)燒結(jié)而成的聚晶體。cBN與硬質(zhì)合金、陶瓷材料相比，在干切削條件下具有更明顯的優(yōu)勢(shì)：cBN硬度高于TiC、Al2O3、SiC，是硬質(zhì)合金的2倍以上；在800℃～1000℃下的高溫硬度也遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金、陶瓷材料，因此可成倍提高切削速度，延長(zhǎng)刀具壽命；同時(shí)cBN的熱傳導(dǎo)率高，可降低干切削時(shí)切削刃的溫度；cBN的熱膨脹率小，抗熱沖擊性好，可減小PcBN刀具的粘接磨損和擴(kuò)散磨損；并且cBN與金剛石不同，既與鐵、鈷、鎳等有良好的化學(xué)惰性，在高溫空氣中又有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；另外PcBN刀具摩擦系數(shù)小，排屑流暢，散熱迅速。因此PcBN材料是最適合干切工藝的刀具材料，且由于PcBN刀具材料具有上述的特點(diǎn)，更適于高速情況下的干式切削加工。

另外，切削力大、溫度高是干切削的特點(diǎn)，為減少高溫下刀具與工件材料之間的擴(kuò)散和粘結(jié)，應(yīng)特別注意刀具材料與工件材料之間的合理匹配。干式切削中產(chǎn)生大量的切削熱，容易造成工件熱變形，影響加工精度。因此，工件材質(zhì)的熱特性是決定該材料是否適宜干式切削的重要因素。因此，熔點(diǎn)較高、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)較小的材料適合干切削。

干切削不但對(duì)刀具要求很高，也對(duì)機(jī)床的排屑、防塵和熱特性提出較高要求。干切削機(jī)床最好采用立式布局，至少床身應(yīng)是傾斜的，工作臺(tái)上的傾斜蓋板可用絕熱材料制成，總的原則是盡可能依靠重力排屑。干切削易出現(xiàn)金屬懸浮顆粒，故機(jī)床常加裝真空吸塵裝置和對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行密封。干切削機(jī)床的基礎(chǔ)大件要采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)并盡量由熱膨脹系數(shù)小的材料制成，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)一步采取熱平衡和熱補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

3.2 PcBN刀具干切削的金屬軟化效應(yīng)

由于PcBN刀具具有較高的高溫硬度和熱穩(wěn)定性，因此可采用較高的切削速度進(jìn)行切削，在較高的切削熱的作用下，被切削層金屬軟化，硬度降低，使切削加工更加易于進(jìn)行，而刀具也保證了較高的壽命，這一效應(yīng)稱為金屬軟化效應(yīng)。產(chǎn)生金屬軟化效應(yīng)的決定因素是切削溫度，試驗(yàn)表明，切削速度對(duì)切削溫度的影響要大于進(jìn)給量，且隨著進(jìn)給量的增加其影響增大；背吃刀量對(duì)切削溫度的影響也較大，且隨著工件材料硬度的增加其影響程度增大。

劉獻(xiàn)禮［3］的研究表明：當(dāng)工件硬度低于HRC50時(shí)，在任一切削條件下，切削溫度隨著工件材料硬度的增加而增加；當(dāng)工件硬度高于HRC50時(shí)，切削溫度隨工件硬度的增加而下降。因此，可以得出產(chǎn)生金屬軟化效應(yīng)的條件是工件材料的硬度要大于HRC50。試驗(yàn)還表明：工件材料硬度在HRC50左右時(shí)表面粗糙度最差，當(dāng)工件硬度大于HRC50以后，隨著硬度的增加，表明粗糙度數(shù)值呈下降趨勢(shì)；已加工表面硬化層深度隨著工件材料硬度的增加而增加，當(dāng)工件硬度達(dá)到HRC50之后，已加工表面硬化層深度達(dá)到最大，之后隨著工件硬度的增加，硬化層深度基本不變。

“紅月牙”切削技術(shù)使切削熱快速聚集在前刀面上，其溫度達(dá)到600℃～700℃，可明顯觀察到紅色圓弧現(xiàn)象并因此而得名。美國(guó)Makino公司生產(chǎn)工程部經(jīng)理Grey Hyatt在干式切削灰鑄鐵時(shí)曾指出高速銑削過(guò)程中“紅月牙”切削技術(shù)的重要性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高速進(jìn)給（40m／min）和高速主軸旋轉(zhuǎn)（14000r／min）可使徑向力降低75%～90%［4］。溫度升高使材料的屈服強(qiáng)度降低，極大地提高了材料的切削加工性。

3.3 PcBN刀具干切削的加工表面質(zhì)量

用PcBN刀具加工不同材料都能獲得較好的表面粗糙度，PcBN刀具加工表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金刀具，而且隨著切削速度的提高，越來(lái)越接近粗糙度的理論值。

PcBN刀具加工獲得加工表層硬度略有上升，并產(chǎn)生一定的硬化深度，但對(duì)加工表面表層的金相組織并無(wú)破壞，而且切削用量的變化對(duì)已加工表面表層的金相組織沒(méi)有損傷。Tonshoff［8］的研究結(jié)果表明，已加工表面顯微硬度受進(jìn)給量和后刀面磨損量的影響較大，進(jìn)給量越小磨損量越大，表面硬度越高。

PcBN刀具的硬態(tài)切削加工一般在零件表面層以下產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。壓應(yīng)力有助于提高表面的抗疲勞性能，這也是PcBN刀具的一個(gè)很好的性能。Tonshoff［5］在使用PcBN刀具干切削GCr15軸承鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)PcBN刀具的加工表面的應(yīng)力狀態(tài)不全都是壓應(yīng)力，條件選擇的不適當(dāng)也可以造成殘余拉應(yīng)力狀態(tài)。因此，在使用PcBN刀具時(shí)，應(yīng)注意加工條件的選擇，其中切削用量對(duì)殘余應(yīng)力的分布情況影響較小，而刀具結(jié)構(gòu)對(duì)殘余應(yīng)力的分布影響很大，尤其是倒棱的幾何參數(shù)需要精心選擇。

3.4 PcBN刀具干切削的磨損與壽命

刀具的磨損直接影響加工效率、質(zhì)量和成本。對(duì)于PcBN刀具干切削的磨損來(lái)說(shuō)，其磨損是由多種磨損機(jī)制共同作用的，而不是單一的一種磨損機(jī)制起作用。郭旭紅等［6］研究了PcBN刀具干切削淬硬軸承鋼時(shí)的磨損機(jī)制，發(fā)現(xiàn)PcBN刀具前刀面主要是月牙洼磨損，其只有達(dá)到一定的溫度和壓力后才產(chǎn)生，且只產(chǎn)生在距離刀刃很近的部分，而且寬度很窄；而后刀面主要是以機(jī)械磨損為主的磨損帶，同時(shí)粘有一些工件材料。這是由于刀具與切屑、以及刀具與工件接觸區(qū)界面上溫度較高所引起的。因此，干切削比普通切削加工時(shí)的刀具前角要取得稍大一些，以降低切削區(qū)溫度，并在刃口上做出負(fù)倒棱。為防止刀尖處熱磨損，主副切削刃連接處應(yīng)采用修圓刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃區(qū)切削刃的長(zhǎng)度和刀頭材料的體積，以提高刀具剛性和減少切削刃破損的概率。

實(shí)驗(yàn)還表明，無(wú)論是后刀面磨損還是月牙洼磨損，都是當(dāng)工件硬度在HRC50的情況下最大，而在較高或較低硬度下，刀具的相對(duì)磨損都較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

PcBN刀具非常適合于硬態(tài)材料的干切削，并能加工金剛石刀具所不能加工的黑色金屬材料，特別適合數(shù)控設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線的使用。PcBN刀具有很高的耐磨性，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金，可加工大部分高硬度材料，在許多場(chǎng)合可以以車、鏜、銑等加工手段代替磨削，能使被加工零件獲得高的精度和良好的表面質(zhì)量，并大大提高生產(chǎn)效率。國(guó)外PcBN刀具已廣泛用來(lái)加工淬硬鋼、高硬度鑄鐵和抗磨零件，并帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著機(jī)械零件的硬度和抗磨損性能要求的進(jìn)一步提高，PcBN刀具的使用必將更加廣泛。

［1］馬平，胡愛(ài)玲，白釗.高速干切削及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.新技術(shù)新工藝，2004（4）：14－17.

［2］謝國(guó)如.綠色制造中干切削的研究［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2004（6）：57－58.

［3］劉獻(xiàn)禮.聚晶立方氮化硼刀具及其應(yīng)用［M］.黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社.1999.

［4］J.H.Dailey.PcBN tools take off on hard surfaces［J］.American Machinist，1996：39－41.

［5］H.K.Tonshoff，C.Aiendt，R.Ben Amor.Cutting of Hardened Steel［J］.Annals of the CIRP，2000，49（2）：547－566.

［6］郭旭紅，曾庭衛(wèi)，劉開強(qiáng)，朱圣領(lǐng).PcBN刀具干切削淬硬軸承鋼時(shí)磨損機(jī)理的研究［J］.工具技術(shù)，2004（6）：28－31.