PCBN硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈的試驗(yàn)研究

楊海東， 張俊生， 鄒玉明， 葉 錚， 丁 寧， 陳鴻運(yùn)

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

PCBN硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈的試驗(yàn)研究

楊海東， 張俊生， 鄒玉明， 葉 錚， 丁 寧， 陳鴻運(yùn)

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

為了提高粉末冶金氣門座圈實(shí)際加工中的加工表面質(zhì)量和刀具壽命，需要研究聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具硬態(tài)切削時(shí)切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。文章通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立了PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈切削力的經(jīng)驗(yàn)公式，并研究了切削用量對(duì)切削力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈時(shí)，刀尖圓弧半徑和負(fù)倒棱導(dǎo)致徑向力相對(duì)較大；切削參數(shù)中切削深度和進(jìn)給量對(duì)切削力的影響較大，切削速度的影響相對(duì)較??；切削V581過(guò)程中，主切削力隨著切削速度的增加而有所下降；實(shí)際加工中應(yīng)選用較小的切削深度和進(jìn)給量、較高的切削速度，以提高加工表面質(zhì)量和刀具壽命。

PCBN刀具；粉末冶金氣門座圈；切削力；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；經(jīng)驗(yàn)公式；負(fù)倒棱

氣門座圈是內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)上的重要零件，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，因此對(duì)于其性能有很高的要求，主要有耐磨性、耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)外使用的氣門座圈材料［1－2］種類大體分為鑄造合金、粉末冶金和鍛鋼制品3種。隨著無(wú)鉛汽油的推廣，氣門座圈的腐蝕磨損減弱，機(jī)械磨損加強(qiáng)，粉末冶金材料氣門座圈［3－4］逐漸顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)。但是由于粉末冶金材料的多孔隙性和含有微觀硬質(zhì)粒子等特點(diǎn)，使得在切削加工時(shí)產(chǎn)生沖擊、切削區(qū)溫度過(guò)高和刀具磨損劇烈。聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具具有較高的硬度、耐磨性和熱穩(wěn)定性，因而其應(yīng)用于硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈時(shí)具有一定的優(yōu)越性。

國(guó)外對(duì)于PCBN刀具材料的研究［5－9］起步較早，研究成果的應(yīng)用較多。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于PCBN刀具的研究［10－15］呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，但總體其應(yīng)用不夠成熟。本文通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈切削力的經(jīng)驗(yàn)公式，分析切削速度、進(jìn)給量和切削深度對(duì)切削力的影響顯著程度，進(jìn)而優(yōu)化粉末冶金氣門座圈加工中的切削參數(shù)，提高被加工件表面質(zhì)量和刀具使用壽命。研究結(jié)果對(duì)于應(yīng)用PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈有實(shí)用意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)在CA6140車床上進(jìn)行，采用外圓干式車削。試驗(yàn)采用了V581（工件A）和ZN－1（工件B）2種粉末冶金氣門座圈，其外形尺寸完全相同，內(nèi)、外圈直徑分別為30.7、50.6 mm，高度為6.6 mm，其主要化學(xué)成分和部分物理及力學(xué)性能見表1、表2所列。

表1 2種粉末冶金氣門座圈的化學(xué)成分 %

表2 2種粉末冶金氣門座圈的部分物理及力學(xué)性能

由表1、表2可以看出，工件A中的Cu、Cr、Ni、Mo和Co元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比工件B高，密度、洛氏硬度（HRC）、維氏硬度（HV）和壓潰強(qiáng)度也比工件B高。試驗(yàn)分別采用了3種切削速度、進(jìn)給量和切削深度，并通過(guò)瑞士Kistler公司的9257B型三向測(cè)力儀、電荷放大器和PC機(jī)組成的切削力采集系統(tǒng)來(lái)采集每次切削過(guò)程中的切削力。

工件A和工件B的硬度均較高，因此，本試驗(yàn)采用了PCBN刀具硬態(tài)干式切削方式，選取了日本住友公司（Sumitomo）生產(chǎn)的牌號(hào)為BN100的PCBN刀片，其CBN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%，顆粒度為3μm，黏結(jié)劑為TiN，HV為4 000～5 000，導(dǎo)熱系數(shù)為217 W／（m·K）。

試驗(yàn)中的PCBN機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位三角刀片，安裝后的刀具幾何參數(shù)如下：前角γ0＝0°，后角α0＝11.5°，主偏角Kr＝75°，副偏角 Kr′＝45°，刃傾角λs＝0°，刀尖圓弧半徑rε＝0.8 mm。為了增加刃口強(qiáng)度，采用了－15°×0.1 mm的負(fù)倒棱。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了建立PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈的切削力經(jīng)驗(yàn)公式，了解各切削參數(shù)對(duì)切削力的影響程度，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三因素三水平的正交試驗(yàn)方案。參照生產(chǎn)實(shí)際中的切削用量，試驗(yàn)各因素和水平見表3所列。表3中，v為切削速度；f為進(jìn)給量；ap為切削深度。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)各因素和水平

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及切削力測(cè)量結(jié)果見表4所列，每次切削的切削力是通過(guò)3次重復(fù)試驗(yàn)取平均值得到的。從表4可以看出，工件A的切削力總體上比工件B稍大一些，各個(gè)切削分力中軸向力Fx最小，工件B的主切削力Fz最大，工件A的徑向力Fy最大。

切削力經(jīng)驗(yàn)公式一般表示為：

其中，CF為影響系數(shù)；x、y和z分別為ap、f和v對(duì)切削力F的影響指數(shù)。

對(duì) （1）式兩邊取對(duì)數(shù)可得：

利用最小二乘法求解經(jīng)驗(yàn)公式，輔以Matlab數(shù)值分析軟件進(jìn)行回歸分析，可以得到PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈的切削力經(jīng)驗(yàn)公式。

對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式取對(duì)數(shù)后的多元線性回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。各個(gè)回歸方程的顯著性檢測(cè)結(jié)果見表5所列。由顯著性水平α＝0.05查表得F0.05（3，5）＝5.41，表5中求得的F 值均比5.41要大，說(shuō)明建立的PCBN硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈切削力的線性回歸方程是顯著有效的。

表5 2種材料切削力的回歸方程顯著性F檢驗(yàn)

由經(jīng)驗(yàn)公式（3）式、（4）式可以看出，工件 A和工件B的各向分力除了工件A的主切削力Fz隨著切削速度v的提高而有所降低外，其余各向分力隨著切削深度ap、切削速度v和進(jìn)給量f的增大而增大；工件A和工件B的軸向力Fx都是受切削深度ap的影響最大，切削速度v次之，切削參數(shù)中進(jìn)給量f對(duì)軸向力的影響最??；切削速度v對(duì)工件A和工件B的徑向力Fy影響最小，切削深度ap和進(jìn)給量f對(duì)工件A的徑向力Fy的影響基本相同，工件B的徑向力Fy受切削深度ap影響最大。工件A和工件B的主切削力Fz受切削深度ap影響最大，進(jìn)給量次之，切削速度對(duì)工件B的主切削力基本無(wú)影響。

總體來(lái)看，工件A和工件B的徑向力Fy都較大，工件A中的徑向力Fy甚至大于主切削力，這主要是由于刀尖圓弧和負(fù)倒棱的緣故。試驗(yàn)刀具的刀尖圓弧半徑rε要遠(yuǎn)大于切削深度ap，使得切削刃的工作主偏角遠(yuǎn)小于75°，如圖1所示。因此，切削合力Fxy沿徑向的分力Fy要遠(yuǎn)大于軸向分力Fx。

負(fù)倒棱的存在使得切削合力Fyz產(chǎn)生了沿徑向的分力Fy2。負(fù)倒棱對(duì)徑向力的影響如圖2所示。

由圖1、圖2可知，刀尖圓弧和負(fù)倒棱都增大了徑向力Fy。

圖1 刀尖圓弧對(duì)實(shí)際工作主偏角的影響

圖2 負(fù)倒棱對(duì)徑向力的影響

對(duì)于表4中序號(hào)1～3的數(shù)據(jù)，如果忽略切削速度對(duì)切削力的影響，進(jìn)給量f＝0.05 mm／r保持不變，分析切削深度ap對(duì)Fy／Fx和Fy／Fz的影響如圖3所示。從圖3可以看出，隨著切削深度ap的降低，F(xiàn)y／Fx和Fy／Fz的值越來(lái)越大，即刀尖圓弧和負(fù)倒棱對(duì)徑向力Fy的影響隨著切削深度的降低而越來(lái)越顯著。

圖3 切削深度a p對(duì)F y／F x和F y／Fz的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)建立了PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈切削力的經(jīng)驗(yàn)公式，分析了各切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，其中切削V581的主切削力在所選速度范圍內(nèi)隨著切削速度的提高而有所下降。

PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈時(shí)，徑向力Fy相對(duì)較大，這主要是由于刀尖圓弧以及負(fù)倒棱的緣故，甚至在切削V581的過(guò)程中出現(xiàn)徑向力大于主切削力的現(xiàn)象。

總體來(lái)說(shuō)，切削速度v對(duì)切削力的影響不是很大，主要是切削深度ap和進(jìn)給量f對(duì)切削力的影響較大。因此在實(shí)際加工中，優(yōu)化切削參數(shù)時(shí)盡量選擇較小的切削深度和進(jìn)給量、較高的切削速度來(lái)提高加工表面質(zhì)量和刀具壽命。

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Experimental investigation of PCBN cutting tool in hard turning of powder metallurgy valve seat

YANG Hai－dong， ZHANG Jun－sheng， ZOU Yu－ming，YE Zheng， DING Ning， CHEN Hong－yun

（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In order to improve the surface quality and tool life of hard machining powder metallurgy valve seat with polycrystalline cubic boron nitride（PCBN）tools，the influence of cutting parameters on cutting forces should be studied.By the orthogonal experimental design of PCBN cutting tool in hard turning of powder metallurgy valve seat，empirical formulas of cutting forces were set up and the effect of cutting parameters on cutting forces was studied.The experimental results indicate that the radial force is relatively large because of the tool nose radius and negative chamfer.The cutting forces are mainly influenced by feed rate and cutting depth，while the cutting speed has less effect.With the increasing of cutting speed，the main cutting force decreases during the machining of V581.Light cutting depth，low feed rate and high cutting speed should be chosen in practical machining to improve the surface quality and tool life.

polycrystalline cubic boron nitride（PCBN）cutting tool；powder metallurgy valve seat；cutting force；orthogonal experimental design；empirical formula；negative chamfer

TG711

A

1003－5060（2015）02－0145－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.001

2014－02－17；

2014－04－03

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目（12－174）

楊海東（1970－），男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 閆杏麗）