PCBN刀具高速切削淬硬鋼材料的研究

葉智彪, 江文清, 羅 濤

(1. 九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院, 江西 九江 332000) (2. 九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 江西 九江 332000)

高硬度和難加工材料的出現(xiàn)對(duì)刀具的要求越來越高。PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具具有僅次于金剛石刀具的高硬度，良好的耐磨性能和熱穩(wěn)定性，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，較低的摩擦系數(shù)等，在加工高硬度難加工材料中扮演著重要角色[1-6]。同時(shí)，PCBN刀具在切削淬火鋼、鎳基合金、鐵基合金、鈦基合金以及冷硬鑄鐵等硬質(zhì)黑色金屬材料時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的切削性能。刀具切削能力強(qiáng)、切削效率高、壽命長(zhǎng)，工件表面質(zhì)量和尺寸精度保持性好，生產(chǎn)成本低。

近年來，在機(jī)械制造行業(yè)，為了提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)高效精密加工，PCBN刀具被用來替代合金刀具實(shí)現(xiàn)以車代磨、以銑代磨工藝來制造零件，尤其是在淬硬鋼的加工上。目前，淬硬鋼被用來制造各種軸承套圈、精密量具、模具以及其他具有高耐磨性、高接觸疲勞強(qiáng)度和高彈性極限的機(jī)械零件等。但是相關(guān)研究表明，在加工難加工材料淬硬鋼的過程中，刀具容易產(chǎn)生微崩刃而失效，降低了刀具的使用壽命[7-13]。CHEN等[14]用顯微硬度分布的影響來解釋高耐磨性材料加工中的刀具磨損機(jī)理，并提出了一個(gè)預(yù)測(cè)模型，該模型對(duì)預(yù)測(cè)刀具磨損、提高刀具壽命具有重要參考價(jià)值。GODOY 等[15]用立方氮化硼刀片連續(xù)車削淬硬鋼，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)那邢魉俣瓤梢蕴岣叩毒邏勖CANDIFFIO等[16]發(fā)現(xiàn)切削刀片的質(zhì)量對(duì)刀具壽命和表面粗糙度有顯著影響，并提出了切削刀片表面質(zhì)量檢查的建議。

試驗(yàn)采用PCBN復(fù)合片制成的刀具在機(jī)床上高速切削淬硬鋼材料。首先對(duì)PCBN復(fù)合片的物相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能進(jìn)行分析，同時(shí)研究PCBN刀具加工淬硬鋼時(shí)的磨損機(jī)理，并從切削參數(shù)、已加工工件表面粗糙度、刀具使用壽命等方面討論P(yáng)CBN刀具高速精密切削淬硬鋼時(shí)的切削性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及條件

(1)試驗(yàn)材料：淬硬鋼GCr15的平均硬度為58 HRC，尺寸為φ80 mm×300 mm，工件化學(xué)成分如表1所示。

(2)試驗(yàn)刀具：某知名廠家PCBN復(fù)合片，將其制成SNGN120408型刀具。刀具參數(shù)：圓角半徑為0.8 mm，切削刃長(zhǎng)度為4.8 mm。

(3)試驗(yàn)機(jī)床：試驗(yàn)在CAK4085Anj數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行。采用干式切削工件外圓實(shí)現(xiàn)綠色加工。

(4)試驗(yàn)參數(shù)：連續(xù)切削，切削速度v=80、120、160、200 m/min，進(jìn)給量f=0.10、0.15、0.20、0.30 mm/r，切削深度ap=0.1 mm。

表1 工件化學(xué)成分

1.2 PCBN復(fù)合片性能檢測(cè)

將PCBN復(fù)合片用金相研磨機(jī)研磨、拋光；用X射線衍射儀分析其物相，并通過S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)PCBN表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；用維氏顯微硬度計(jì)測(cè)定PCBN的顯微硬度；用激光切割機(jī)將PCBN樣品切成寬3 mm、高4 mm的切片后，用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)定試樣的抗彎強(qiáng)度；參照聚晶金剛石復(fù)合片磨耗比測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定PCBN的磨耗比。

1.3 切削試驗(yàn)方案

在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行外圓干式車削后，采用便攜式TR200粗糙度儀測(cè)量工件表面粗糙度，粗糙度儀分辨率為0.001 μm；通過S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)刀具磨損進(jìn)行觀察、檢測(cè)和分析。在切削過程中，當(dāng)切削里程分別為2、5、8 km時(shí)取下刀片，使用體式顯微鏡觀察刀具的磨損形貌，并測(cè)量刀具后刀面磨損的寬度，以其判斷刀具壽命。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 PCBN復(fù)合片性能

圖1為PCBN復(fù)合片XRD圖。從圖1可知：PCBN復(fù)合片的物相組成為TiN、AlN、CBN、TiB2以及α-Al2O3，其中結(jié)合劑以TiN和TiB2為主。同時(shí)，還可以看出CBN主峰的峰高較TiN和TiB2的低。因此，可以斷定PCBN復(fù)合片中CBN含量不是太高。使用具有高硬度、高熔點(diǎn)、高耐磨損性和高化學(xué)穩(wěn)定性的TiN為結(jié)合劑，能夠制備出具有優(yōu)良性能的PCBN復(fù)合材料[17]。AlN具有高的導(dǎo)熱率、較小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能，可以減小PCBN內(nèi)部熱應(yīng)力，從而減少裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)抑制CBN在高溫下發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)閔BN[5]。TiB2的力學(xué)性能優(yōu)異、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗磨損性能和熱傳導(dǎo)性強(qiáng)，在陶瓷材料中都屬于高強(qiáng)、高硬陶瓷，同時(shí)TiB2的導(dǎo)電性能優(yōu)良，還可使用電火花線切割加工[18-20]。綜上所述，PCBN復(fù)合片兼具韌性好、熱穩(wěn)定性高、硬度高、導(dǎo)電性好等優(yōu)勢(shì)，具有良好的綜合性能，非常適用于淬硬鋼的加工[21]。

圖2為PCBN復(fù)合片背散射掃描電鏡圖。圖2中均勻分布著黑色、灰色和白色3種區(qū)域，可以推斷分別是由AlN、TiB2以及TiN構(gòu)成的結(jié)合相與主相CBN的分布，CBN顆粒通過結(jié)合劑黏結(jié)在一起，提高了復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合劑和CBN顆粒的高強(qiáng)度結(jié)合可以有效地減少PCBN刀具在高速切削過程中的顆粒脫落和崩刃現(xiàn)象。

圖1 PCBN復(fù)合片XRD圖譜

(a)低倍率Low magnification(b)高倍率High magnification圖2 PCBN復(fù)合片背散射掃描電鏡圖Fig. 2 Backscatter scanning electron microscopy of PCBN composite

對(duì)PCBN復(fù)合片進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：抗彎強(qiáng)度為850 MPa，顯微硬度為32.2 GPa，磨耗比為7 800。由于PCBN材料內(nèi)部各顆粒之間連接緊密，無大量氣孔存在，致密性好，顯微結(jié)構(gòu)緊密，因此具有較高的強(qiáng)度和硬度值。磨耗比是檢測(cè)PCBN復(fù)合材料刀具耐磨性的一個(gè)重要指標(biāo)，磨耗比高低直接影響PCBN刀具的切削效果。試驗(yàn)用PCBN刀具具有較高的磨耗比，表明結(jié)合劑對(duì)CBN顆粒具有較強(qiáng)把持力，CBN顆粒在磨削過程中不易脫落，能明顯增強(qiáng)刀具切削效果。

2.2 PCBN刀具后刀面磨損機(jī)理研究

圖3為切削速度v=160 m/min、進(jìn)給量f=0.15 mm/r、切削深度ap=0.1 mm，切削里程5 km的條件下，PCBN刀具后刀面的SEM照片及相應(yīng)區(qū)域的EDS能譜分析結(jié)果。由于PCBN樣品的導(dǎo)電性差，需要對(duì)其進(jìn)行噴金處理，才能在掃描電鏡下更清楚地觀察其形貌。從圖3a中可以看出：PCBN刀具后刀面在切削時(shí)發(fā)生了較為明顯的崩刃破損，刀具裸露出新鮮表面，即在刀具刀尖處發(fā)生了崩刃現(xiàn)象。PCBN材料由黏接相和CBN顆粒結(jié)合而成，在連續(xù)切削應(yīng)力作用下，在兩者結(jié)合界面易發(fā)生疲勞破壞，黏結(jié)相與CBN顆粒脫離，留下“凹坑”，使得后刀面被快速磨掉而產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。同時(shí)在刀具材料表面處發(fā)現(xiàn)有較多的切屑，這說明在高速切削過程中，淬硬鋼中的組成元素黏結(jié)沉積在刀具上，會(huì)有黏結(jié)磨損發(fā)生。

(a)后刀面SEM圖SEM image of PCBN flank face(b)1區(qū)域能譜圖Energy spectrum of regional 1(c)2區(qū)域能譜圖Energy spectrum of regional 2圖3 PCBN后刀面的SEM照片及相應(yīng)區(qū)域的EDS能譜分析Fig. 3 SEM image of PCBN flank face and EDS energyspectrum analysis of corresponding area

用超聲波將刀具清洗干凈，并對(duì)后刀面2個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描分析，得到圖3b、圖3c。從圖3b、圖3c可知：刀具表面含有C、O、Al、Ti、Fe、Si、Cr、Mn、B、N、W元素；C、Fe、Si、Cr、Mn這些元素不是PCBN刀具材料的主要化學(xué)元素，而是被切削工件材料GCr15的主要組成元素，這些元素?cái)U(kuò)散分布在刀具上。從圖3b、圖3c中還可以看出：在磨損后的刀具上發(fā)現(xiàn)了較多的O元素，但在前面的XRD分析中同樣也檢測(cè)到了O元素的存在，因此不能斷定切削過程中，刀具材料是否發(fā)生了氧化反應(yīng)。通過上述分析，推斷PCBN刀具的磨損主要為黏結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損以及崩刃磨損等多重磨損共同作用的結(jié)果。

2.3 切削條件對(duì)刀具磨損的影響

2.3.1 切削速度對(duì)刀具磨損的影響

(1)在進(jìn)給量為0.15 mm/r，切削深度為0.1 mm，切削速度分別為80、120、160、200 m/min時(shí)，用PCBN刀具高速精密切削淬硬鋼，不同切削里程下刀具后刀面磨損曲線如圖4所示。從圖4可看出：在淬硬鋼切削過程中，當(dāng)切削速度超過120 m/min時(shí)，PCBN刀具后刀面的磨損隨著切削速度的增加而升高。當(dāng)切削速度為200 m/min，切削里程為2 km時(shí)，刀具后刀面產(chǎn)生了較大磨損；在切削速度為80 m/min，切削里程為2 km時(shí)，PCBN刀具后刀面磨損相對(duì)較小。切削速度的逐步增大，使得刀具與切屑的接觸長(zhǎng)度減小，切削熱難以排除，從而導(dǎo)致切削溫度升高。當(dāng)切削速度在80、120 m/min時(shí)，由于PCBN刀具有很好的散熱性，因此在此切削速度范圍內(nèi)，切削溫度的升高對(duì)PCBN刀具使用壽命影響甚微。當(dāng)提高切削速度到200 m/min時(shí)，刀具使用壽命明顯下降，甚至?xí)谇邢骱笃诔霈F(xiàn)微崩刃現(xiàn)象。由于PCBN刀具切削硬質(zhì)材料是將切削區(qū)內(nèi)微小部分的金屬軟化而進(jìn)行的[22]，因此當(dāng)切削速度過低時(shí)，就不能發(fā)揮PCBN刀具的切削性能。同時(shí)，也可能是由于在較低切削速度下，機(jī)床剛度、精度以及系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)PCBN刀具的切削壽命的影響較大，因此在切削里程8 km，切削速度80 m/min的條件下，PCBN刀具的磨損要大于切削速度120 m/min的PCBN刀具的磨損。綜上所述，PCBN刀具的最佳切削速度應(yīng)在80～120 m/min為宜。

圖5為切削速度v=200 m/min，進(jìn)給量f=0.15 mm/r，切削深度ap=0.1 mm的切削條件下，PCBN刀具磨損中期前、后刀面的磨損形貌圖。從圖5可看出：刀具前刀面存在著明顯的剝落現(xiàn)象，刀具的后刀面有明顯的溝槽存在。這可能是由于后刀面在工件表面不斷的沖擊下產(chǎn)生微崩破損，微崩破損逐步發(fā)展變成了較寬的磨損溝槽。同時(shí)切削速度增大，導(dǎo)致切削溫度急劇增加，刀具后刀面與已加工工件的表面摩擦作用更加激烈，使得刀具的顆粒磨損和黏結(jié)磨損情況加劇。

圖4 切削速度對(duì)PCBN刀具后刀面磨損的影響

(a)前刀面的磨損形貌圖The front wear morphology(b)后刀面的磨損形貌圖The flank faces wear morphology圖5 PCBN刀具磨損中期前、后刀面的磨損形貌圖Fig. 5 Wear morphology of the front and flankfaces of PCBN tool in the middle of wear

2.3.2 進(jìn)給量對(duì)刀具磨損的影響

在切削速度為120 m/min，切削深度為0.1 mm，進(jìn)給量分別為0.10、0.15、0.20、0.30 mm/r時(shí)，用PCBN刀具高速精密切削淬硬鋼，不同切削里程下刀具后刀面磨損曲線如圖6所示。

從圖6可看出：隨著進(jìn)給量的增大，PCBN刀具的后刀面磨損都增加了。當(dāng)進(jìn)給量為0.20、0.30 mm/r時(shí)，PCBN刀具的后刀面磨損相對(duì)較輕，因?yàn)镻CBN刀具含有較多的結(jié)合劑，結(jié)合劑與CBN的結(jié)合穩(wěn)定，進(jìn)給量在切削初期對(duì)刀具的磨損影響較小。隨著切削里程逐漸增加，由于結(jié)合劑的耐磨性不如CBN，因此在切削后期PCBN刀具的磨損速度明顯增加；隨著進(jìn)給量的增加，PCBN刀具對(duì)工件材料的摩擦和擠壓越來越強(qiáng)烈，使得刀具和工件材料之間產(chǎn)生了嚴(yán)重的摩擦和巨大的切削力。因此，當(dāng)進(jìn)給量增加時(shí)，刀具磨損加快。為使PCBN刀具有最大的切削壽命，進(jìn)給量應(yīng)在0.10～0.20 mm/r為宜。

圖6 進(jìn)給量對(duì)PCBN刀具后刀面磨損的影響

2.4 工件表面粗糙度分析

圖7為PCBN刀具在切削深度ap=0.1 mm，改變切削進(jìn)給量f和切削速度v下切削淬硬鋼時(shí)工件表面的粗糙度曲線圖。從圖7可知：PCBN刀具高速精密切削淬硬鋼GCr15時(shí)，對(duì)加工工件的表面粗糙度有較大影響的是切削進(jìn)給量f。當(dāng)切削進(jìn)給量f=0.10 mm/r，切削里程為2 km時(shí)，在80～200 m/min的切削速度下，工件表面粗糙度Ra在0.7～1.5 μm。隨著進(jìn)給量和切削里程的逐漸增加，工件表面粗糙度值增大且有較大幅度的波動(dòng)。這是因?yàn)檫M(jìn)給量的增加使得刀具的切削力增大，加快了刀具刃口處的磨損，從而使得被加工工件的表面粗糙度值增加。

圖7 不同切削參數(shù)和切削里程對(duì)工件表面粗糙度的影響

從圖7中還可以看出：在進(jìn)給量f和切削深度保持不變時(shí)，在切削初期提高切削速度，工件的表面粗糙度會(huì)減小，但是隨著切削里程的延長(zhǎng)，刀具磨損嚴(yán)重，工件的表面粗糙度增加。試驗(yàn)中PCBN刀具加工時(shí)的表面粗糙度與PCBN刀具前/后刀面出現(xiàn)的磨損相對(duì)應(yīng)。同時(shí)由于切削過程不穩(wěn)定性，其中包括切削過程中的變形、刀具的邊界磨損、積屑瘤、刀刃與工件相應(yīng)位置變動(dòng)等都會(huì)對(duì)表面粗糙度產(chǎn)生影響。因此，用PCBN刀具加工淬硬鋼時(shí)，控制相關(guān)變量，選擇合適的切削參數(shù)對(duì)提高加工工件的表面質(zhì)量和延長(zhǎng)刀具使用壽命十分關(guān)鍵。

3 結(jié)論

(1)在淬硬鋼切削過程中，當(dāng)切削速度超過120 m/min時(shí)，PCBN刀具后刀面的磨損隨著切削速度的增加而升高。

(2)PCBN刀具切削淬硬鋼時(shí)，為保證刀具使用壽命和加工工件的表面質(zhì)量，最佳的切削速度應(yīng)在80～120 m/min，進(jìn)給量為0.10～0.20 mm/r。

(3)在進(jìn)給量f和切削深度保持不變時(shí)，在切削初期提高切削速度，工件的表面粗糙度會(huì)減小，但是隨著切削里程的延長(zhǎng)，刀具磨損嚴(yán)重，工件的表面粗糙度增加。