大型螺紋旋風(fēng)硬銑削PCBN 刀具的試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)*

朱紅雨 倪壽勇 李 迎

(①南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210048;②南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094)

大型螺紋(長(zhǎng)度大于5 m，直徑大于200 mm，精度P3 級(jí))可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離重載直線傳動(dòng)，是各類大型重載機(jī)床不可替代的關(guān)鍵功能部件。以硬態(tài)旋風(fēng)銑削(thread hard whirling)為代表的大型精密螺紋高性能切削技術(shù)結(jié)合了高速硬加工技術(shù)、旋風(fēng)銑削技術(shù)、高效綠色加工技術(shù)，可對(duì)硬度60HRC 以上的螺紋實(shí)施硬銑削，同時(shí)以干切削或少切削液實(shí)現(xiàn)綠色加工，是螺紋高效制造的主要工藝方法。PCBN 刀具是實(shí)施硬態(tài)旋風(fēng)銑削的重要條件之一，但由于PCBN 刀具硬度高，強(qiáng)度、韌性低，脆性較大，而且又屬于高壓高溫?zé)Y(jié)材料，其組織分布不均勻，在硬態(tài)旋風(fēng)銑削加工中，容易發(fā)生崩刃、剝落、裂紋和碎斷等刀具脆性破損，是制約硬態(tài)旋風(fēng)銑削加工精度、加工經(jīng)濟(jì)性的重要因素。利用試驗(yàn)和工具顯微鏡、SEM 掃描電鏡等工具，研究加工時(shí)間對(duì)PCBN刀具磨損和破損的影響，為合理選擇刀具、科學(xué)指導(dǎo)切削工藝參數(shù)優(yōu)化、提高螺紋加工精度打下基礎(chǔ)。

1 PCBN 刀具磨損和破損的試驗(yàn)研究

PCBN 刀具磨損和破損與切削用量、機(jī)床-夾具-刀具-工件系統(tǒng)、刀具自身結(jié)構(gòu)、刀具材料、加工過(guò)程的平穩(wěn)性等都有關(guān)系。PCBN 刀具自20 世紀(jì)70 年代問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)30 多年的應(yīng)用研究，現(xiàn)普遍認(rèn)為其磨損機(jī)理主要為剝落與微崩刃、氧化磨損、CBN 的六方化逆轉(zhuǎn)、粘結(jié)磨損等。

試驗(yàn)在HJZ052 ×60 數(shù)控旋風(fēng)銑削機(jī)床上進(jìn)行，絲杠直徑為40 mm，螺紋長(zhǎng)度為1368 mm，材料為GCr15(＞60HRC)。試驗(yàn)切削用量:切削速度v=180 m/min，切削厚度ap=0.06 mm。刀具結(jié)構(gòu):前角0°，倒棱-25° ×0.1 mm。刀盤(pán)裝夾刀具數(shù)z=3。

圖1 為PCBN 刀具工作240 min 時(shí)，前刀面的SEM 電鏡照片。在刀尖圓弧的正中間有明顯的前刀面磨損和崩刃現(xiàn)象(如圖1a)，圖1b 是粘結(jié)在刀尖上的切屑，分析得知機(jī)床-夾具-刀具-工件系統(tǒng)振動(dòng)明顯，刀具運(yùn)行不平穩(wěn)，刀具磨損和破損嚴(yán)重。

圖2 為PCBN 刀具工作720 min 時(shí)，前刀面的SEM 電鏡照片。從圖2a 可以看出，前刀面沿中心線出現(xiàn)長(zhǎng)裂紋，此裂紋延伸至整個(gè)PCBN 層。放大刀尖處(如圖2b)可見(jiàn)崩刃明顯。整個(gè)圓弧刃上除刀尖外，其他地方崩刃較少。

在加工現(xiàn)場(chǎng)，因磨損或崩刃換下來(lái)的刀具，其破損均出現(xiàn)在刀尖圓弧上。這是因?yàn)橐环矫嬗谠谟残娂庸ぶ?，工件材料硬度高，加工阻力高，由于塑性變形和擠壓變形產(chǎn)生大量的熱;另一方面是因旋風(fēng)銑削形成的切屑先由薄到厚，再由厚到薄(如圖3 所示)，刀尖始終處于切削狀態(tài)。當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)輕微磨損時(shí)，摩擦力增大，切削熱進(jìn)一步增大，當(dāng)切削熱聚集到一定程度時(shí)，刀具產(chǎn)生擴(kuò)散磨損;再加上斷續(xù)加工過(guò)程的沖擊和振動(dòng)，使刀具首先在與切屑接觸最多的刀尖處發(fā)生破壞。

圖4 為PCBN 刀具工作1440 min 時(shí)前刀面的SEM 電鏡照片?？梢钥闯?，隨加工時(shí)間的延長(zhǎng)，前刀面的整個(gè)圓弧刃上多處發(fā)生崩刃，在刀尖圓弧處的崩刃最嚴(yán)重。圖4b、c、d 分別為圖4a 中的1、2 和刀尖處的放大照片。其中圖4d 與圖2 一樣，在前刀面沿中心線出現(xiàn)長(zhǎng)裂紋。

由以上試驗(yàn)分析可知，PCBN 刀具在旋銑加工中主要失效形式是崩刃和裂紋。圖5 為加工300 min 后PCBN 刀具的后刀面磨損金相照片，后刀面磨損幾乎可以忽略不計(jì)。

2 PCBN 刀具破損的統(tǒng)計(jì)分析

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)加工現(xiàn)場(chǎng)切削參數(shù)相同(切削速度V=180 m/min，切削厚度ap=0.06 mm，刀具數(shù)z=3)，加工時(shí)間相同時(shí)得到的刀具進(jìn)行采樣。采樣總刀具數(shù)145 把，其中，可修復(fù)刀具59 把，約占總刀具數(shù)的40%?？尚迯?fù)刀具與不可修復(fù)刀具之比約為2∶3。

生產(chǎn)中，為節(jié)約成本，對(duì)刀具破損沒(méi)有超過(guò)刃磨標(biāo)準(zhǔn)的刀具進(jìn)行修復(fù)。如能合理把握換刀時(shí)間，有助于提高刀具可修復(fù)比例，進(jìn)而降低刀具成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。但事實(shí)上，PCBN 刀具修復(fù)用的磨刀機(jī)床成本高，經(jīng)修復(fù)后的刀具壽命只有原刀具的1/6，且刃磨過(guò)程降低了生產(chǎn)效率，因此，提高刀具可修復(fù)比例并不能從根本上減少刀具成本。

3 可轉(zhuǎn)位旋風(fēng)銑PCBN 刀片設(shè)計(jì)

在硬態(tài)旋風(fēng)銑削加工中，PCBN 刀具失效的主要原因是刀具破損，后刀面磨損幾乎為零，刀具破損主要出現(xiàn)在刀尖圓弧中心線的位置上，在高頻沖擊的情況下，刀具破損的主要形式是崩刃。如合理控制換刀時(shí)間，刀具除在刀尖處破損外，其他地方依然可用，但由于是整體刀具，必須重新?lián)Q刀才能繼續(xù)加工。若對(duì)旋風(fēng)銑削刀盤(pán)和刀具系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用可轉(zhuǎn)位旋風(fēng)硬銑PCBN 刀具，如圖6 所示，PCBN刀具由CBN 層、硬質(zhì)合金基體和刀桿組成。將CBN層做成圓形或菱形刀片，與硬質(zhì)合金基體組裝，同時(shí)，硬質(zhì)合金基體與刀桿組裝，即制成可轉(zhuǎn)位旋風(fēng)硬銑PCBN 刀具。

該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需改變刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)毒吣p后，只需將刀片轉(zhuǎn)過(guò)90°即可?？赊D(zhuǎn)位旋風(fēng)硬銑PCBN刀具的使用將有效提高刀具使用壽命，節(jié)約換刀時(shí)間，降低刀具成本。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究了硬態(tài)旋風(fēng)銑削加工中PCBN 刀具的主要失效形式是崩刃和斷裂，崩刃主要出現(xiàn)在刀尖圓弧中心線的位置上，PCBN 刀具后刀面磨損幾乎為零。統(tǒng)計(jì)了在加工參數(shù)和加工時(shí)間相同時(shí)，可修復(fù)刀具與不可修復(fù)刀具之比約為2∶3。提出有效提高刀具使用壽命的方法是采用可轉(zhuǎn)位旋風(fēng)硬銑PCBN 刀片，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便實(shí)用。為降低刀具磨損和破損，提出一種旋風(fēng)銑削外螺紋滾道的自回轉(zhuǎn)刀具組件設(shè)計(jì)方法，該刀具可用于外螺紋件的內(nèi)旋銑、外旋銑包絡(luò)滾切成形加工過(guò)程，具有加工精度高、切削效率高、刀具使用壽命長(zhǎng)、換刀方便等特點(diǎn)。

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