PCBN刀具和陶瓷刀具精車銅鎳合金的切削性能研究

神會存，蘭帥領(lǐng)

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

PCBN刀具和陶瓷刀具精車銅鎳合金的切削性能研究

神會存，蘭帥領(lǐng)

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

對PCBN刀具和陶瓷刀具精車銅鎳合金MS204的車削性能進行了對比試驗研究.基于實際觀測數(shù)據(jù)，分析了PCBN刀具和陶瓷刀具后刀面磨損量及其所加工零件的表面粗糙度、毛刺高度隨切削速度變化的情況.利用最小二乘法，給出了PCBN刀具和陶瓷刀具加工銅鎳合金MS204的最優(yōu)切削速度范圍.

PCBN刀具；陶瓷刀具；切削性能；最小二乘法

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，PCBN刀具和陶瓷刀具已成為機械加工中非常重要的工具.研究表明，對高硬材料的精加工“以車代磨”，可以簡化加工工藝、提高加工效率［1］.雖然國內(nèi)外學(xué)者對PCBN刀具和陶瓷刀具的切削機理及切削性能等方面進行了較深入的研究，并對推廣硬態(tài)切削加工技術(shù)起到了積極的作用，但對于硬態(tài)切削工藝精加工淬硬鋼時刀具磨損形態(tài)和表面質(zhì)量等方面的研究還不夠深入，使得PCBN刀具和陶瓷刀具在切削性能上并沒有一個很顯著的界限.

本文以PCBN刀具和陶瓷刀具干式精車銅鎳合金MS204（氣缸套）為例，對刀具磨損性能和工件已加工表面質(zhì)量進行了對比試驗分析，研究了刀具磨損量及已加工工件表面質(zhì)量隨切削速度的變化情況，利用最小二乘法原理一元線性回歸方程，分析得出最優(yōu)切削速度.

1 試驗方法

實驗用車床型號為NEXUS250－ⅡL，實驗材料為淬硬鋼—MS204合金鋼.MS204合金鋼的化學(xué)成分和物理性能分別見表1和表2.

表1 MS204合金鋼的化學(xué)成分

表2 MS204合金鋼的物理特性

選擇幾何形狀完全相同的2種刀片，形狀為正方形，頂角為90°，退刀角為0°，刀尖圓弧半徑R＝0.8mm，刀片厚度為4.76mm.這2種刀片分別是NTK SPARK公司研發(fā)的SNGN120416T01025氧化鋁類HC2陶瓷刀片和牌號為SNMA 120408S01020ECB20的PCBN刀片.這2種刀具的物理特性見表3.

表3 刀具材料的物理性能

其中，陶瓷刀具的主成分是Al2O3基復(fù)合陶瓷，并添加了碳化鈦（TiC），主要用于鑄鐵的中、精加工和襯套的加工；PCBN刀具是CBN顆粒（含量60%）與特殊陶瓷在高溫高壓下燒結(jié)而成的兩相物質(zhì)，其高硬度和高穩(wěn)定性使PCBN刀具具有優(yōu)異的耐磨性，主要用于淬火鋼的中速區(qū)域連續(xù)、斷續(xù)車削加工.裝夾后2種刀具的幾何參數(shù)均為前角γ0＝－10°，后角a＝8°，刃傾角λs＝－6°，主偏角k＝75°，副偏角k′＝15°，背吃刀量ap＝0.2mm，進給速率f＝0.15mm／r.采用干式切削方式，分別在切削速度vc為50m／s、100m／s、150m／s、200m／s的情況下，利用數(shù)字型表面粗糙度檢查儀對已加工零件表面的粗糙度和毛刺高度進行檢測，利用掃描電鏡對刀具后刀面磨損進行觀察，得出不同的切削速度下零件加工表面質(zhì)量和后刀面磨損量.

2 試驗結(jié)果與分析

在車削試驗中觀察得知，切屑成白色帶狀，車削連續(xù)均勻，噪音很低，說明車床處于穩(wěn)定車削狀態(tài)，切削實驗數(shù)據(jù)具有可靠性.

2.1 零件表面粗糙度

表面粗糙度，是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷不平度.表面粗糙度值越小，則表面越光滑.表面粗糙度的大小對機械零件的使用性能有很大影響.切削速度和零件表面粗糙度之間并不是直接相關(guān)聯(lián)的，而是通過其他因素如刀具磨損、切削瘤的成長、切削熱對刀具、工件的影響、切削系統(tǒng)的振動、機床本身的精確度等來聯(lián)系的.也就是說，當(dāng)切削速度改變時，它直接引起上述各個因素按照它們本身的規(guī)律變化，這些變化綜合地反映在被加工零件的粗糙度上［2－3］.

圖1中實線是通過試驗測出來的離散點，虛線是利用最小二乘法擬合出的線性方程.陶瓷刀具切削時虛線方程為：＾Y＝9.275－0.019＾X；PCBN 刀具切削時虛線方程為：＾Y＝6.875－0.013＾X.整體上看，隨著切削速度的增加，PCBN刀具和陶瓷刀具所加工零件的表面粗糙度都下降.經(jīng)分析得知：在較低切削速度下，在工件已加工表面上形成近似與切削速度方向相垂直的橫向裂紋，并有鱗片狀毛刺出現(xiàn)，即所謂“鱗刺”，表面粗糙度會增大.從擬合方程上分析，由2條直線的斜率可以得出，PCBN刀具加工零件表面粗糙度值要比陶瓷刀具加工零件表面粗糙度值下降得快.從穩(wěn)定性上分析，PCBN加工零件表面粗糙度離散值到其擬合曲線的距離明顯低于陶瓷刀具，特別是在切削速度100m／min和150m／min附近，這種現(xiàn)象更明顯.這說明，在加工MS204合金鋼時，PCBN刀具加工零件表面粗糙度更為穩(wěn)定.

圖1 車削MS204合金鋼的表面粗糙度

2.2 后刀面磨損

刀具磨損的快慢直接關(guān)系到加工成本與刀具材料的推廣.后刀面磨損作為刀具壽命和耐用度的衡量標準，對其進行研究尤為重要.圖2所示為在不同切削速度下后刀面的磨損量.其中，PCBN虛線擬合方程為：＾Y＝0.0025＋0.00036＾X；陶瓷虛線擬合方程為：＾Y＝0.095＋0.00072＾X.

圖22種刀具車削MS204合金鋼時后刀面磨損量

分析圖2可知，在切削速度vc＝50～150m／min時，2種刀具的磨損量隨切削速度的增加而增加；但是在切削速度vc＝150～200m／min時，PCBN刀具后刀面磨損量呈下降趨勢，陶瓷刀具磨損量增加反而更加明顯.一般認為，刀具的切削速度越高，切削溫度也越高，刀具的磨損就越快.然而試驗表明，PCBN刀具磨損量并不是簡單地隨切削速度的增加而逐漸增加.有學(xué)者研究指出，PCBN的摩擦系數(shù)隨切削速度的增加而減?。?］，這使得PCBN刀具切削時后刀面的摩擦力減小，從而減小了磨損量.當(dāng)然，這還與PCBN刀具良好的導(dǎo)熱性和耐熱性密不可分.分析2條擬合曲線方程可知，陶瓷刀具的磨損波動性遠大于PCBN刀具，刀尖受到的沖擊力加大，容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，使得換刀頻率加大，降低了生產(chǎn)效率.另一方面，隨著切削速度的提高，陶瓷刀具磨損速率大約是PCBN刀具磨損速率的2倍，而PCBN刀具的磨損量要比陶瓷刀具的磨損量大約小一個數(shù)量級.以上分析說明，加工MS204合金鋼，PCBN刀具的壽命遠高于陶瓷刀具的壽命.

2.3 毛刺高度

金屬切削毛刺是在切削加工過程中形成的，所有影響金屬切削過程的因素都會影響毛刺的形成.切削加工中形成的毛刺的形態(tài)和尺寸取決于各影響因素的綜合作用.相關(guān)試驗表明，切削毛刺的形態(tài)和尺寸主要取決于工件材料的組織狀態(tài)和力學(xué)性能、刀具的幾何參數(shù)、切削用量、切削速度、切削加工的方式以及被加工件終端部的支撐剛度等因素［5］.圖3所示是切削速度和毛刺高度之間的變化關(guān)系圖.其中，PCBN刀具切削時虛線擬合方程為：＾Y＝0.11＋0.00052＾X；陶瓷刀具切削時虛線擬合方程為：＾Y＝0.485＋0.00078＾X.

圖32種刀具車削MS204合金鋼時毛刺高度變化曲線

從圖3可以看出，PCBN刀具在加工MS204合金鋼時形成的平均毛刺高度要比陶瓷刀具加工時形成的低5～6倍.在切削速度vc＝100m／min時，2種刀具的波動性最大，PCBN刀具加工零件表面毛刺的穩(wěn)定性是陶瓷刀具的4～5倍.分析2條擬合曲線可知，隨著切削速度的增加，PCBN刀具加工時形成的毛刺的增長率大約比陶瓷刀具加工時形成的毛刺的增長率低1.5倍左右.特別值得注意的是，在切削速度vc＝150～200m／min時，PCBN刀具加工 MS204合金鋼時形成的毛刺高度反而呈下降趨勢，而陶瓷刀具加工時形成的毛刺的高度仍然明顯上升.其原因是，PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)高于陶瓷刀具的導(dǎo)熱系數(shù)，并且隨著切削溫度的提高，PCBN刀具的導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大，使刀尖處熱量能很快傳出來；此外，PCBN刀具的摩擦系數(shù)低于陶瓷刀具的摩擦系數(shù)，而且隨著切削速度增大而略有減小，使PCBN刀具切削時不易形成滯留層或積屑瘤，有利于加工表面質(zhì)量的提高.

3 結(jié) 語

（1）PCBN刀具和陶瓷刀具以切削速度50～200m／min車削MS024合金鋼時，陶瓷刀具加工零件的表面粗糙度整體優(yōu)于PCBN刀具，但其表面粗糙度的波動性大于PCBN刀具，且隨切削速度的提高，表面粗糙度下降的速率明顯低于PCBN刀具.

（2）在切削速度為50～150m／min的范圍內(nèi)，2種刀具的磨損量隨切削速度的增大而增加，陶瓷刀具的磨損速率大約是PCBN刀具的磨損速率的2倍，而PCBN刀具的磨損量要比陶瓷刀具的磨損量大約小一個數(shù)量級.但是在切削速度為150～200m／min的范圍內(nèi)，PCBN刀具后刀面磨損量呈下降趨勢，陶瓷刀具磨損量反而更加劇烈.

（3）加工 MS204合金鋼時，PCBN刀具所加工零件的平均毛刺高度要比陶瓷刀具所加工零件的平均毛刺高度低5～6倍，穩(wěn)定性是陶瓷刀具的4～5倍，毛刺增長率大約比陶瓷刀具低1.5倍左右.

（4）PCBN刀具和陶瓷刀具在切削速度為100m／min時，對MS204合金鋼都具有良好的車削性能.但在切削速度為120m／min左右時，陶瓷刀具磨損開始急劇發(fā)展，導(dǎo)致表面粗糙度增大、毛刺增長；而在切削速度為150m／min左右時，PCBN刀具磨損反而下降，使得加工工件表面粗糙度明顯下降，有效地抑制了毛刺的增長.

［1］ 苗赫濯，齊龍浩，曾照強.新型陶瓷刀具在機械工程中的應(yīng)用［J］.機械工程學(xué)報，2002，38（2）：152－155.

［2］ 張雷.高速車削表面粗糙度的研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2002（12）：31－34.

［3］ 劉戰(zhàn)強，萬熠，艾興.高速銑削過程中表面粗糙度變化規(guī)律的試驗研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2002（3）：8－10.

［4］ 劉獻禮.聚晶立方氮化硼刀具及其應(yīng)用［M］.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1999（1）：12－13.

［5］ 王貴成.金屬切削毛刺分類新體系及其應(yīng)用［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)報，1995（4）：23－25.

Study on Turning Performance of Fine Turning Copper－Nickel Alloy by PCBN Cutting Tool and Ceramic Cutting Tool

SHEN Hui－cun，LAN Shuai－ling
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

The contrast experimental study to the turning performance of PCBN cutting tool and the ceramic cutting tool copper nickel alloy MS204is conducted.Based on actual observed data，and PCBN cutting tools and ceramic cutting tool flank wear and surface roughness in machining parts and burr height with cutting speed change are analyzed.Using the least squares method the optimum cutting speed range of PCBN tools and ceramic cutting tools copper nickel alloy MS204are given out.

PCBN tool；ceramic cutting tool；turning performance；least square method

TH142

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.05.003

1671－6906（2012）05－0011－03

2012－09－26

河南省科技攻關(guān)計劃項目（092102210289）；河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目（2010A460019）

神會存（1963－），山東泰安人，教授，博士.