CBN含量對(duì)PCBN車刀切削性能影響的模擬與實(shí)驗(yàn)研究①

鄒 娟，成照楠，鄒 芹，，李艷國(guó)，王明智，齊效文

（1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004）

聚晶立方氮化硼PCBN（Polycrystalline cubic Boron Nitride）車刀硬度僅次于聚晶金剛石PCD（Polycrystalline diamond）車刀，具有更高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，比PCD車刀更適合加工黑色金屬，比硬質(zhì)合金和陶瓷車刀更耐用，加工效率更高，并且有媲美磨削的加工表面質(zhì)量［1－3］。有關(guān)PCBN刀具材料及其切削性能的模擬與實(shí)驗(yàn)研究是超硬刀具研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。為了提高PCBN車刀性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究［4－14］，主要集中在材料性能測(cè)試及市售PCBN車刀切削磨損的研究上，而制造不同成分PCBN材料車刀并檢驗(yàn)加工性能的相關(guān)報(bào)道很少。本文以有限元模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)不同立方氮化硼（CBN）含量的新型PCBN材料和市售材料制作的車刀切削性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí) 驗(yàn)

前期工作中，本課題組通過(guò)使用非化學(xué)計(jì)量比TiN0.3和AlN為結(jié)合劑，合成了幾種不同CBN含量的高熵化合物結(jié)合劑PCBN材料［15］，發(fā)現(xiàn)其具有相當(dāng)高的熱穩(wěn)定性和耐磨性，其中CBN含量（體積分?jǐn)?shù)）80%的PCBN材料硬度達(dá)到32.38 GPa［16］。本文根據(jù)車刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果［17－18］建立有限元仿真模型，首先應(yīng)用Deform軟件模擬不同CBN含量90°刀尖角PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓面時(shí)刀尖與工件的應(yīng)力場(chǎng)；然后分別用自制和市售PCBN材料制造車刀，精車45＃淬火鋼外圓面，并對(duì)刀尖進(jìn)行SEM掃描分析，比較刀具的切削性能。

1.1 仿真模型與邊界條件

選取外圓車削常用的焊接式90°刀尖角車刀，使用三維軟件建立PCBN車刀和45＃淬火鋼工件1∶1幾何模型，如圖1所示。刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)為：前角γ0＝0°、后角a0＝10°、主偏角κr＝40°、副偏角κr′＝50°、刃傾角λ0＝0°、刀尖圓弧半徑rs＝0.5 mm、鈍圓半徑ρ＝0.1 mm。在不影響模擬結(jié)果的前提下簡(jiǎn)化幾何模型以提高運(yùn)算效率。

圖1 Deform車削仿真幾何模型與簡(jiǎn)化模型

模擬試驗(yàn)所用自制PCBN材料和45＃淬火鋼工件的性能見(jiàn)表1。

表1 PCBN材料與45＃淬火鋼的性能

仿真試驗(yàn)選用切削速度vc＝250 m／min、進(jìn)給量f＝0.1 mm／r、背吃刀量ap＝0.25 mm。車削模擬選擇拉格朗日增量方式，模擬類型選擇變形和熱傳導(dǎo)，變形求解為Sparse求解，并選用Newton?Raphson迭代。設(shè)置環(huán)境溫度為20℃，干切削的切削液傳熱系數(shù)為0 W／（m2·K）、摩擦系數(shù)為0.3［19］，刀尖與工件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為4.5×104W／（m2·K）；仿真步長(zhǎng)設(shè)置為4 800步、時(shí)間長(zhǎng)為0.002 s。PCBN車刀和工件采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，PCBN車刀單元網(wǎng)格數(shù)為50 000，工件網(wǎng)格數(shù)為20 000，模擬獲得應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果。

1.2 車刀切削實(shí)驗(yàn)與表征分析

分別使用CBN含量（體積分?jǐn)?shù)）50%和80%的自制PCBN材料制成焊接式90°刀尖角車刀，對(duì)比使用同等CBN含量的市售PCBN材料制成的同型車刀，以車削速度v c＝250 m／min、進(jìn)給量f＝0.1 mm／r、背吃刀量a p＝0.25 mm［16－17］在數(shù)控車床上完成45＃淬火鋼外圓面加工，車削距離500 m。車削實(shí)驗(yàn)后，分別對(duì)4種車刀的刀尖進(jìn)行SEM分析，獲得微觀結(jié)構(gòu)照片，評(píng)價(jià)兩類PCBN車刀的性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 車刀切削模擬結(jié)果與分析

模擬90°刀尖角PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓面，得到穩(wěn)定車削時(shí)車刀與工件的應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果見(jiàn)圖2～3。對(duì)比車刀應(yīng)力場(chǎng)可知，2種CBN含量的PCBN車刀受力情況基本一樣，應(yīng)力最大值點(diǎn)集中在刀尖靠近主切削刃的前刀面上，這是因?yàn)榍暗睹媾c切屑流接觸承受主切削力［20］，其中CBN含量50%的PCBN車刀應(yīng)力極值略高。工件變形區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)形式基本相同，應(yīng)力呈梯度變化，最大值位于刀尖擠壓工件變形處，吃刀方向應(yīng)力值較大。

圖2 CBN含量50%應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

圖3 CBN含量80%應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

主切削力隨時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖4。可見(jiàn)不同CBN含量的PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓面時(shí)主切削力變化基本一致。

圖4 主切削力模擬結(jié)果

2.2 車刀實(shí)驗(yàn)切削結(jié)果與分析

焊接式90°刀尖角PCBN車刀見(jiàn)圖5。刀尖使用PCBN材料，刀體材料為硬質(zhì)合金。各車刀詳細(xì)信息見(jiàn)表2。

圖5 實(shí)驗(yàn)所用PCBN車刀

表2 實(shí)驗(yàn)用PCBN車刀的材料信息

在車床上完成PCBN車刀加工45＃淬火鋼工件的切削實(shí)驗(yàn)，4種車刀的刀尖SEM圖見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，1號(hào)車刀磨損區(qū)寬度約80μm，刃緣有輕微月牙凹磨損；2號(hào)車刀磨損區(qū)寬度約50μm，磨損輕微且范圍很小，月牙凹不可見(jiàn)；1號(hào)、2號(hào)車刀刀尖前刀面上的凸起是由于黏接了工件材料。3號(hào)車刀磨損區(qū)寬度約130μm，刃緣有明顯磨損；4號(hào)車刀磨損區(qū)寬度約90μm，刃緣有較明顯月牙凹磨損。根據(jù)磨損程度，4把車刀耐磨性由高到低排序?yàn)椋?號(hào)樣品＞1號(hào)樣品＞4號(hào)樣品＞3號(hào)樣品。2號(hào)車刀耐磨性相對(duì)較好，但韌性相對(duì)較差。

圖6 PCBN車刀切削后刀尖SEM圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)2號(hào)樣品車刀有一只發(fā)生崩刃，如圖7所示。從圖7可以看到，車刀刀尖沿副切削刃方向斷裂，由于幾把車刀加工用量參數(shù)是相同的，表明2號(hào)樣品韌性相對(duì)較差。

圖7 2號(hào)樣品崩刃效果

2.3 討 論

結(jié)合仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知不同CBN含量的PCBN車刀在加工過(guò)程中車刀受力沒(méi)有明顯區(qū)別，主切削力變化相似，說(shuō)明同樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的PCBN車刀在相同的切削用量條件下使工件材料發(fā)生變形的情況是近似的，但會(huì)使刀具產(chǎn)生不同程度磨損。平均主切削力實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比見(jiàn)圖8。實(shí)測(cè)值約大于模擬值10%，這是車削過(guò)程中金屬瘤在前刀面聚集導(dǎo)致摩擦加劇，以及設(shè)備穩(wěn)定性造成的。市售PCBN材料制作的車刀平均主切削力較小與其磨損程度較大有關(guān)，隨著磨損量增加，實(shí)際切削用量逐漸減小。自制PCBN材料在原TiN0.3和AlN結(jié)合劑基礎(chǔ)上，添加微量組分TaC、WC、VC和ZrC等碳化物［16］，顯著改良了PCBN燒結(jié)體的韌性和耐磨性。自制CBN含量50%的PCBN車刀實(shí)驗(yàn)結(jié)果較優(yōu)，從使用效率看，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。自制CBN含量80%的PCBN車刀韌性相對(duì)較差。

圖8 實(shí)測(cè)與模擬平均主切削力對(duì)比圖

3 結(jié) 論

1）通過(guò)Deform軟件對(duì)CBN含量50%和80%的焊接式90°刀尖角PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓面仿真分析可知，CBN含量對(duì)主切削力影響不顯著。

2）CBN含量增加，PCBN材料硬度和耐磨性增強(qiáng)，韌性降低，CBN含量50%的自制PCBN車刀綜合性能較好。

3）對(duì)比自制及市售PCBN材料制作的車刀精車45＃淬火鋼外圓面后刀尖磨損情況，在CBN含量相同的情況下，自制PCBN材料車刀的性能較優(yōu)。