PCBN刀具硬車(chē)削T10鋼工件表面質(zhì)量研究

李慶華，潘 晨

(長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

PCBN刀具硬車(chē)削T10鋼工件表面質(zhì)量研究

李慶華，潘 晨

(長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

針對(duì)目前車(chē)削硬脆性材料的加工狀況和采用車(chē)削刀具的實(shí)際情況，本文利用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，車(chē)削一定硬度的T10軸類(lèi)零件，采集車(chē)削過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行分析正交試驗(yàn)，分析切削過(guò)程中切削速度、進(jìn)給量對(duì)零件表面粗糙度的影響。結(jié)果表明:切削速度對(duì)表面粗糙度影響較大，進(jìn)給量次之。工件表面粗糙度隨著切削速度的升高而降低；同一切削速度下，較小的進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量影響較明顯，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化為實(shí)際生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)。

PCBN刀具；表面粗糙度；切削參數(shù)；切削速度；進(jìn)給量

0 引言

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN)是由一定比例的CBN顆粒和金屬粘結(jié)劑或陶瓷粘結(jié)劑在高溫高壓下合成的一種無(wú)機(jī)材料[1－2]。近幾年，在PCBN刀具硬車(chē)削應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者開(kāi)始研究使用PCBN刀具車(chē)削加工后的工件表面質(zhì)量。高世龍、安立寶等[3]使用CBN刀具車(chē)削淬硬鋼Cr12MoV，利用正交試驗(yàn)法研究了切削用量三要素對(duì)表面粗糙度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響最顯著，進(jìn)給量其次，背吃刀量最小。H.H.Habeeb等[4]在用CBN刀具干式切削鎳合金242試驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)，工件表面粗糙度在0.052~0.08微米范圍內(nèi)，增加切削速度表面質(zhì)量將會(huì)變光滑，增加進(jìn)給量和背吃刀量工件表面會(huì)變得更加粗糙。陳濤，劉獻(xiàn)禮等[5]在使用PCBN刀具硬車(chē)削淬硬鋼GCr15試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，影響表面質(zhì)量的最主要因素是進(jìn)給量，其次是刀尖圓弧半徑，切削速度對(duì)表面粗糙度有一定影響，背吃刀量對(duì)表面質(zhì)量影響較小。

由于PCBN刀具具有高硬度、熱穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱性、較好的耐磨性、紅硬性和較高的化學(xué)惰性等[6－8]優(yōu)良的切削性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于硬車(chē)削加工中。本文通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究切削速度、進(jìn)給量對(duì)T10材料的表面粗糙度的影響，并對(duì)切削用量進(jìn)行優(yōu)化，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)制定合理的切削參數(shù)。

1 正交試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

本研究所使用的PCBN刀具來(lái)自河南富耐克超硬材料有限公司，如圖1所示，該P(yáng)CBN刀具適合粗、精加工高硬度合金材料，耐磨損性能優(yōu)異。

圖1 PCBN刀具

正交試驗(yàn)中所使用的工件材料是硬度為HRC53的T10鋼，工件的長(zhǎng)度均為14cm，直徑均為5cm的軸件，工件有三個(gè)。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)及方法

本次試驗(yàn)中，將切削用量三要素中的背吃刀量ap設(shè)為固定值，根據(jù)以往的加工參數(shù)經(jīng)驗(yàn)，背吃刀量ap的范圍為0.1~0.4mm，故背吃刀量取ap＝0.2mm。通過(guò)改變單一變量切削速度vc、進(jìn)給量f進(jìn)行硬車(chē)削試驗(yàn)，切削用量參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)切削用量參數(shù)

在進(jìn)行正交試驗(yàn)之前，先將T10工件在數(shù)控車(chē)床作去表皮處理，然后分別以切削速度vc＝200、400、600、800、1000r/min在工件上切削五段進(jìn)行分析比較，如圖2所示。

圖2 分段切削后的T10工件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照所設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)法進(jìn)行切削加工T10工件，并在WYKO N7910光學(xué)輪廓儀上檢測(cè)表面粗糙度，得到了車(chē)削后的T10表面粗糙度數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 T10工件表面粗糙度值

進(jìn)給量(μm/r)轉(zhuǎn)速(r/min) 10 20 30 400 0.826 0.568 0.608 600 0.857 0.565 0.595 800 0.732 0.552 0.544 1000 0.625 0.555 0.525

根據(jù)表2列出的粗糙度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理軟件上對(duì)其進(jìn)行分析，得到表面粗糙度與切削速度、進(jìn)給量之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)后T10表面粗糙度與切削速度、進(jìn)給量之間的關(guān)系曲線

從圖3中曲線走向分析可知:在試驗(yàn)設(shè)定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，T10表面粗糙度與切削速度成反比，即切削速度越高，T10表面質(zhì)量越好。當(dāng)進(jìn)給量f＝20μm/r時(shí)，T10表面粗糙度值隨切削速度的升高明顯降低；當(dāng)進(jìn)給量f＝10μm/r時(shí)，發(fā)現(xiàn)切削速度vc＝600r/min時(shí)表面粗糙度值是Ra＝0.857μm，切削速度vc＝400r/min時(shí)表面粗糙度值是Ra＝0.826μm，粗糙度值隨著切削速度的增加而略微增加，由于二者相差0.031μm，在試驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)，仍認(rèn)為符合試驗(yàn)結(jié)論，即切削速度越高，T10表面質(zhì)量越好；當(dāng)進(jìn)給量f＝30μm/r時(shí)，切削速度vc＝200r/min時(shí)表面粗糙度是Ra＝0.567μm，切削速度vc＝400r/min，vc＝600r/min時(shí)，T10的表面粗糙度值均大于vc＝200r/min的粗糙度值，表面粗糙度隨著切削速度的增加先升高再降低。經(jīng)研究分析認(rèn)為，由于PCBN刀具在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)切削，出現(xiàn)了磨損情況。在切削速度達(dá)到vc＝400r/min時(shí)刀具進(jìn)入了初期磨損階段，刀具開(kāi)始發(fā)生磨損，這時(shí)產(chǎn)生的切削力突然增大，刀具與工件之間發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致表面質(zhì)量粗糙。切削速度達(dá)到vc＝600r/min后，刀具進(jìn)入正常磨損階段，工件表面粗糙度開(kāi)始減小。由此可知，在切削速度為vc＝400r/min，vc＝600r/min時(shí)，理論上表面質(zhì)量應(yīng)該優(yōu)于vc＝200r/min的表面質(zhì)量。

從圖3可以看出，在相同的切削速度下，增加進(jìn)給量，表面粗糙度反而降低。當(dāng)進(jìn)給量f＝10μm/r增加到f＝20μm/r時(shí)，T10表面粗糙度明顯降低，而當(dāng)進(jìn)給量從f＝20μm/r增加到f＝30μm/r時(shí)，粗糙度變化不再明顯。由此可以得出，在切削速度相同的條件下，相應(yīng)的增加進(jìn)給量，能獲得良好的表面質(zhì)量，但是，當(dāng)進(jìn)給量增加到一定數(shù)值時(shí)，對(duì)T10的表面質(zhì)量影響不再明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)使用PCBN刀具車(chē)削硬度為HRC53的T10工件，并對(duì)其車(chē)削表面質(zhì)量進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明:在試驗(yàn)設(shè)定的切削數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，隨著切削速度的增加，工件表面粗糙度降低；增加進(jìn)給量，表面粗糙度也降低，當(dāng)進(jìn)給量增加到一定數(shù)值后，對(duì)表面質(zhì)量的影響不再明顯，進(jìn)而得出切削速度對(duì)T10表面質(zhì)量的影響比進(jìn)給量大。

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責(zé)任編輯:程艷艷

Research on Surface Quality of Hard Turning T10 SteelW orkpiece w ith PCBN Cutting Tool

LIQinghua，PAN Chen
(College of Machinery and Vehicle Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

In view of themachining situation of hard－brittlematerials and the actual condition of the cutting tools，this experiment uses polycrystalline cubic boron nitride(PCBN)tool to turn T10 workpiece with certain hardness，during which the relevant data is collected to carry out orthogonal trial.The effects of cutting speed and feed rate on surface roughness are analyzed.The results show that the cutting speed has a greater influence on the surface rough-ness than feed rate.The workpiece surface roughness decreaseswith the increase of cutting speed；under the same cutting speed，the smaller feed rate has a obvious influence on the surface quality.The cutting parameters are opti-mized based on the trial result，hoping to provide the theoretical basis for the actual production and manufacture.

PCBN tool；surface roughness；cutting parameter；cutting speed；feed rate

TG506

A

1009－3907(2017)06－0001－03

2017－04－16

長(zhǎng)春市科技局重大科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2013JBA01L03)

李慶華(1968－)，男，吉林蛟河人，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械制造及自動(dòng)化方面研究。