基于刃磨工藝的超硬刀具復合倒棱仿真與實驗分析

摘要 為了改善圓弧刃倒棱聚晶金剛石（poly crystalline diamond，PCD）車刀加工有色金屬的光亮程度，特在圓弧刃倒棱車刀基礎(chǔ)上進行二次倒棱處理，使其形成復合倒棱結(jié)構(gòu)。在CATIA軟件中根據(jù)COBORN RG9磨床實際刃磨PCD倒棱刀具的工藝，建立圓柱形后刀面復合倒棱車刀三維模型，使用Deform V11.0軟件進行PCD復合倒棱車刀的三維切削仿真分析，并根據(jù)仿真分析結(jié)果進行PCD復合倒棱車刀與PCD一階倒棱車刀的切削實驗對比。結(jié)果表明：復合倒棱結(jié)構(gòu)只在較大的切削深度時才有提升工件光亮度的作用；在相同切削深度下，PCD復合倒棱車刀的切削溫度小于PCD一階倒棱車刀的；在切削深度為0.14 mm時，隨著切削時間增加，PCD復合倒棱車刀加工零件的表面粗糙度要小于PCD一階倒棱車刀的。結(jié)合PCD刀具的最終磨損狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，PCD復合倒棱車刀對切削后工件的捋平效果更佳，工件的光亮度更高，其抗磨損性能更好。

關(guān)鍵詞 PCD車刀；切削深度；表面粗糙度；刀具磨損

中圖分類號 TG71;TG58;TQ164文獻標志碼 A

文章編號1006-852X（2024）05-0632-12

DOI碼10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0223

收稿日期2023-10-23 修回日期 2023-11-16

現(xiàn)有的圓弧刃刀具，為了減少磨損，會在其前刀面刃口處磨一段負倒棱，雖然在一定程度上可提高刀尖刃口的強度和耐磨性[1]，但在加工中會發(fā)生切屑積聚現(xiàn)象，導致切削力增大和切削溫度升高，最終影響刀具的加工性能[2]。

合理設(shè)計倒棱刀具的刃線、倒棱面、前刀面結(jié)構(gòu)可以減少刀具的磨損，提高其加工性能。KLOCKE等[3]提出了一種變倒棱角度的聚晶立方氮化硼（polycrys-talline cubic boron nitride，PcBN）刀具，通過實驗發(fā)現(xiàn)這種刀具結(jié)構(gòu)能夠延長其使用壽命，減少刀具的磨損量。陳濤等[4]設(shè)計了圓弧刃漸變倒棱PcBN刀具，通過模擬仿真和實驗得出：與定值倒棱刀具相比，漸變倒棱刀具具有更優(yōu)異的切削性能，其排屑能力和刀具抗磨損能力均得到了明顯提升。郭建[5]通過改變刀具前刀面形狀，設(shè)計了有雙斜壁分屑結(jié)構(gòu)余弦強化刃的PcBN刀具，并通過高速硬切削實驗發(fā)現(xiàn)：同原有的余弦漸變強化刃結(jié)構(gòu)刀具相比，雙斜壁結(jié)構(gòu)刀具切削金屬時加工表面的粗糙度會受到刀具磨損量的影響，刀具磨損量越大，加工表面的粗糙度也隨之增大。劉思宇[6]建立了漸變負倒棱刀具數(shù)學模型，分析了其排屑規(guī)律，并通過仿真分析和車削實驗研究了超硬車刀漸變負倒棱的設(shè)計及其刃磨工藝，發(fā)現(xiàn)其可解決定值倒棱刀具的排屑干涉問題。魏子洋等[7]建立了雙倒棱刀具的二維切削模型，并通過有限元仿真系統(tǒng)地研究了不同雙倒棱參數(shù)的影響，以及切削過程中切削力、切削溫度、應力應變和刀刃磨損的變化規(guī)律；同時，對PCD雙倒棱刀具的刃磨實驗進行了優(yōu)化，觀察到雙倒棱刀具的切屑變形小，且更容易排出，因而具有更好的切削性能。

通過以上研究可以看出：合理設(shè)計刀具刃線、倒棱面和前刀面結(jié)構(gòu)等，對改善負倒棱刀具在切削加工時的切屑積聚現(xiàn)象具有重要意義。本研究在一階倒棱車刀基礎(chǔ)上，在CATIA軟件中完成PCD復合倒棱車刀的三維建模，并使用Deform軟件對PCD復合倒棱刀具的三維切削進行仿真分析。主要研究內(nèi)容包括：一是根據(jù)切削深度需要，對復合倒棱結(jié)構(gòu)中的二階倒棱寬度、二階倒棱角度進行優(yōu)化設(shè)計；二是分析斜角切削時刃傾角的變化對復合倒棱刀具排屑和加工性能的影響；最后根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果進行PCD復合倒棱車刀與PCD一階倒棱車刀切削實驗對比。

1復合倒棱刀具三維實體建模

PCD是通過粉末燒結(jié)得到的一種新的刀坯材料，粉末中有鈷、鎳與微米級金剛石顆粒等材料，并在碳化鎢基材上經(jīng)過高溫高壓燒結(jié)而成。用PCD制作的刀具的硬度僅低于天然金剛石刀具的，其硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低、導熱性高、熱膨脹系數(shù)低，同時刀具刃口鋒利且刀面光潔度高等。

一階倒棱刀具結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于刀具的后刀面分為圓柱形后刀面和圓錐形后刀面，本研究建模選擇圓柱形后刀面。在一階倒棱刀具基礎(chǔ)上得到復合倒棱刀具結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中的γ0為刀具前角，0為刀具后角，b1、b2分別為一階、二階倒棱寬度，1、2分別為一階、二階倒棱角度。

復合倒棱刀具是經(jīng)過2次定值倒棱加工形成的臺階狀結(jié)構(gòu)刀具。在一階倒棱加工時，當?shù)毒叩那敖菫?°時，形成的倒棱寬度為定值；當?shù)毒叩那敖遣粸?°時，形成的倒棱寬度是漸變的，在刀具圓弧中心處倒棱寬度最大，從中心到刀腹兩側(cè)的倒棱寬度則逐漸減小。

通過CATIA等三維建模軟件中的倒棱功能建模，可根據(jù)砂輪運行軌跡直接掃掠而建立，但無法真正反映砂輪實際刃磨倒棱刀具的過程，而得到刀具真實的倒棱結(jié)構(gòu)[8]。因此，采用一種特殊的建模方式，根據(jù)砂輪實際刃磨倒棱刀具的過程，在CATIA中模擬其實際加工情況而建模[9]。實際加工時選用磨削超硬刀具性能良好的COBORN RG9精密磨床，其刃磨倒棱刀具時砂輪與刀具的運動關(guān)系如圖3所示。RG9磨床的運動軸有樞軸、刀架X軸、刀架Y軸、吊桿軸、砂輪進給軸、砂輪橫軸、RM軸，其樞軸中心一般設(shè)置成與刀具圓弧中心重合，可使刀具在XY平面上旋轉(zhuǎn)；刀架X軸、刀架Y軸可使刀具在X、Y方向平移；吊桿軸一般在磨削有后角的刀具時使用，可以使刀架整體沿Z軸（Z軸垂直于刀架X、刀架Y軸形成的水平面）旋轉(zhuǎn)0～25°;砂輪進給軸、砂輪橫軸可以使砂輪在X、Y方向上移動；RM軸為外接在刀架上的旋轉(zhuǎn)軸，可繞自身軸線中心旋轉(zhuǎn)，在刃磨倒棱刀具時刀具裝卡在RM軸上。刃磨倒棱刀具時，主要參與的軸是砂輪進給軸、樞軸和RM軸。

刀具加工時選擇的砂輪是金剛石粒度代號為M8/16的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪直徑為150 mm。金剛石砂輪主要的3種結(jié)合劑是樹脂結(jié)合劑、金屬結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑。陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪更耐高溫、耐腐蝕，且其磨粒保持度高，自銳性較好，磨削效率較高，適合用于精密磨削加工。因此，選用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪用于PCD刀具的磨削加工。

CATIA中的實際建模過程如下：（1）先將砂輪實際走過的軌跡離散化，即根據(jù)磨削軌跡將砂輪擺放到不同位置，待加工刀具與砂輪會存在重疊部分，利用CATIA中的布爾運算功能去掉重疊部分，得到復合倒棱刀具圓弧刃部分的近似模型，如圖4所示。離散次數(shù)越多，越接近理論上的復合倒棱車刀刃線。（2）在得到的近似模型中提取圓弧刃上及其他關(guān)鍵位置的點坐標，保存后重新導入CATIA。在創(chuàng)成式外形設(shè)計中，得到圓弧刃離散點的線擬合曲線，如圖5所示，并通過多截面曲面功能生成面。（3）最后封閉各個面，得到復合倒棱刀具的三維實體模型，如圖6所示。

在建立復合倒棱刀具三維實體模型后，再在De-form仿真軟件中進行切削仿真分析，對復合倒棱刀具的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計；并使用優(yōu)化設(shè)計后的模型，進行不同刃傾角時的切削仿真分析，分析斜角切削狀態(tài)下刃傾角對刀具加工性能的影響。

2復合倒棱刀具切削仿真分析

2.1前處理

在Deform V11.0軟件中導入建立好的復合倒棱刀具及工件的三維模型，使用復合倒棱刀具對工件進行切削仿真模擬。刀具形狀為35°菱形刀片，刀尖圓弧半徑為0.8 mm，前角為6°，后角為0°，一階倒棱寬度為0.20 mm，一階倒棱角度為25°。工件模型的長寬高分別為6、4和4 mm。

工件設(shè)置為塑性體，材料選擇Al6061鋁合金[10]，初始環(huán)境溫度設(shè)置為20°;刀具設(shè)置為剛體，刀具材料選擇PCD，初始環(huán)境溫度設(shè)置為20°。工件網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為50 000，選擇相對網(wǎng)格劃分，其尺寸比為6；刀具網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為35 000，選擇相對網(wǎng)格劃分，其尺寸比為6。分別對刀具與工件的接觸區(qū)域網(wǎng)格進行細化，窗口外尺寸比設(shè)為0.01。刀具-工件的網(wǎng)格劃分如圖7所示。工件的動作設(shè)定為固定不動，模擬控制模式中選擇變形+傳熱；摩擦形式為剪切摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)為0.6；熱傳導率設(shè)為154 W/（m·K）；刀具磨損模型選擇Usui，模型中的參數(shù)a=0.000 01、b=1 000。

設(shè)置切削速度為100 m/min，進給量為0.1 mm/r。首先進行不同切削深度下，不同二階倒棱寬度的切削仿真[11]；再進行不同切深、不同二階倒棱角度下的切削仿真；最后進行不同刃傾角時的切削仿真。切削深度分別選擇0.07、0.14和0.21 mm，二階倒棱寬度分別選擇0.05和0.10 mm，二階倒棱角度為40°和50°。倒棱前處理完成條件后生成DB文件，切削仿真開始，如圖8所示。

2.2不同切深、不同二階倒棱寬度時的切削仿真結(jié)果與分析

在后處理界面中分析切削力隨切削深度增加產(chǎn)生的變化，可得到3向切削力動態(tài)曲線圖9。取圖9中仿真步數(shù)為200步時的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)每組切削力平均值Fx、Fy、F z求得3向切削力的均方根值F。圖10為不同切深、不同二階倒棱寬度時的切削力均方根值F（-）。

通過圖9、圖10對比可以看出：在其他參數(shù)一定時，隨著切削深度逐漸增大，二階倒棱寬度為0.10 mm時的3向切削力的均方根值F的增大幅度，比二階倒棱寬度為0.05 mm時的更大，這主要是切削深度與二階倒棱寬度的關(guān)系所致（二階倒棱寬度為0.05 mm簡稱為“寬度1”，二階倒棱寬度為0.10 mm簡稱為“寬度2”）。當切削深度為0.07 mm時，其值超過了寬度1，但未超過寬度2，此時寬度1的二階倒棱起作用，但切深超過寬度1較少，因此寬度1的切削力均方根值大于寬度2的；當切削深度為0.14 mm時，切深均超過了寬度1和寬度2，但超過寬度1的數(shù)值更大，二階倒棱發(fā)揮了更大作用，所以此時寬度1的切削力均方根值小于寬度2的；當切削深度為0.21 mm時，切深均遠超寬度1和寬度2，且超出了刀具倒棱面，到達前刀面（一階倒棱寬度為0.20 mm），此時寬度1的切削力均方根值小于寬度2的。但二者的差值與切深為0.14 mm時的相比相差不大，這主要是切深超出寬度1與寬度2的數(shù)值均較大，二階倒棱均發(fā)揮了更大作用，且刀具前刀面也參與了切削，使二階倒棱的作用逐漸弱化。

圖11為不同切深、不同二階倒棱寬度時的切削溫度均值變化。如圖11所示：隨著切削深度增加，寬度1和寬度2時的切削溫度均值變化趨勢同切削力均方根值的變化趨勢基本一致，寬度1時的切削溫度均值的上升幅度明顯小于寬度2時的，在切削深度gt;0.14 mm時，二者切削溫度均值上升幅度基本趨于一致。

通過對不同切削深度、不同二階倒棱寬度時的切削力均方根值和切削溫度均值變化分析能夠得出，根據(jù)加工時需要的切削深度，復合倒棱車刀的二階倒棱寬度的設(shè)計應滿足以下條件：（1）在一階倒棱寬度為定值時，若切削深度相比一階倒棱寬度較小，則二階倒棱寬度應大于切深；（2）若切削深度較大，甚至接近一階倒棱寬度時，則二階倒棱寬度應小于切深。

2.3不同切深、不同二階倒棱角度時的切削仿真結(jié)果與分析

二階倒棱寬度選取0.10 mm，二階倒棱角度分別選取40°、50°，其他條件同上，進行不同切削深度下的仿真。仿真完成后，求得3向切削力的均方根值F及切削

通過圖12、圖13能夠看出：當二階倒棱寬度小于切削深度，二階倒棱角度較小時，其切削力均方根值和切削溫度均值均較??；當二階倒棱寬度大于切削深度，二階倒棱角度較大時，其均方根值和切削溫度均值均較小。其原因是切深較小未超過二階倒棱寬度時，起作用的僅為二階倒棱的一小段區(qū)域，二階倒棱角度越大，切屑向前刀面方向運動的角度也越大，其起到的分離切屑的效果也較好，此時切削力和切削溫度也相對較??；隨著切深的增大，一階倒棱區(qū)域和刀具前刀面也參與了切削，大角度二階倒棱的功能也在相對弱化。

通過對不同切削深度、不同二階倒棱角度的切削力均方根值和切削溫度均值變化分析能夠得出，根據(jù)需要的切削深度，復合倒棱車刀的二階倒棱角度的設(shè)計應該滿足以下條件：（1）在切深較小未超過二階倒棱區(qū)域時，應選擇較大的二階倒棱角度；（2）在切深較大超過二階倒棱區(qū)域時，應選擇較小的二階倒棱角度。

2.4不同刃傾角時的切削仿真結(jié)果與分析

2.4.1切屑流動分析

斜角切削加工時，刃傾角的出現(xiàn)會使切屑排出的方向在原有基礎(chǔ)上偏轉(zhuǎn)一個流屑角，一般情況下認為刃傾角≈流屑角，產(chǎn)生的流屑角可能會造成排屑干涉[11]。根據(jù)前文的二階倒棱寬度、二階倒棱角度與切深關(guān)系的分析，選取復合倒棱車刀的二階倒棱寬度為0.10 mm，二階倒棱角度為50°，切削深度為0.10 mm，其他條件同上，進行不同刃傾角的切削仿真分析，分析不同刃傾角對復合倒棱車刀加工性能的影響。

通過Deform中的點追蹤功能，并用工件上2個點的坐標變化分析復合倒棱車刀加工時切屑的流動情況。在工件上設(shè)置2個點坐標，點P1坐標為（0，?0.8，0），點P2坐標為（0.2，?0.8，0），并將其設(shè)置為游動點，如圖14所示。隨著模擬仿真的進行，不同刃傾角下2點在x、y軸上的位置變化分別如圖15、圖16所示。2點在x軸上的位置變化表示的是切屑切削加工時橫向移動的距離，在y軸上的位置變化表示的是切屑縱向移動的距離。

從圖15、圖16中可以看出：當刃傾角為0°時，隨著切削進行，2點在x軸上的距離基本不變，未發(fā)生相交的情況，說明切屑分離效果較好。2點在y軸上的距離增大趨勢基本相同，切屑向縱軸頂端運動；當刃傾角為5°時，2點在x軸上的距離逐漸接近，是因為存在刃傾角時，切屑會在原有排屑方向上偏離一個流屑角，產(chǎn)生排屑干涉。2點在y軸上的移動情況與其在刃傾角為0°時的情況大致相同；當刃傾角為10°時，2點在x軸上的位置出現(xiàn)了交叉，可能是排屑干涉發(fā)生的較早，也有可能是切屑發(fā)生了卷曲變形導致，此時2點在y軸上的距離相差較大；當刃傾角為15°時，在x軸上可以看到2點的交叉位置更靠前，說明切屑干涉發(fā)生得更早，而在y軸上的距離相差更大。此后2點的切屑排出，其在x、y軸上的位置基本保持不變。

通過以上分析能夠得出：隨著刃傾角增大，加工時的排屑干涉程度總體上呈增大趨勢，且排屑干涉主要發(fā)生在切屑橫向移動時。

2.4.2刀具溫度分析

刀具的溫度會影響其磨損量，同時也會影響加工工件的精度及表面質(zhì)量。取仿真步數(shù)為200時的狀態(tài)進行分析，不同刃傾角時的刀具瞬時溫度如圖17所示，求得刀具的平均溫度如圖18所示。

從圖17、圖18可以看出：隨著刀具加工時刃傾角的不斷增大，刀具的溫度整體上呈上升趨勢；刃傾角為0°時與刃傾角不為0°時的刀具溫度相差較大，刃傾角為10°時的刀具溫度比刃傾角為5°和15°時的有所降低。這種溫度變化趨勢說明刃傾角為10°時的排屑較為順暢，排屑干涉較小，是由刀具刃線的實際結(jié)構(gòu)與刃傾角產(chǎn)生的排屑方向偏離綜合作用導致的。

2.4.3刀具磨損分析

刀具磨損是刀具在切削加工中一項重要的性能指標，工件的面型精度受刀具磨損的影響。分析不同刃傾角加工時，PCD復合倒棱車刀的磨損情況。取仿真步數(shù)為200時的狀況進行分析，刀具磨損結(jié)果如圖19所示；并求出倒棱面上的刀具磨損平均深度，結(jié)果如圖20所示。

由圖19、圖20可知：當刃傾角為0°時，與刃傾角不為0°時的相比，復合倒棱車刀的磨損深度明顯更小，說明斜角切削時刃傾角變化導致流屑角產(chǎn)生，使本來排出較為順暢的切屑發(fā)生了干涉，導致刀具磨損深度增加，且增大的磨損區(qū)域主要集中在二階倒棱區(qū)域靠下位置和一階倒棱右側(cè)靠近前刀面位置；當刃傾角為10°時，刀具磨損深度相比刃傾角為5°、15°時的較小，這與刀具溫度的變化趨勢是一致的，也說明在切削加工時刀具的溫度會直接影響刀具的磨損。

3復合倒棱車刀切削實驗與分析

3.1實驗方案

選用型號為CAK3275v的數(shù)控車床進行車削實驗，實驗車床如圖21所示，車削方式選擇外圓車削。CAK3275v數(shù)控車床的具體加工參數(shù)如表1所示。實驗中，選取車削速度為100 m/min、進給量為0.1 mm/r、切削深度分別為0.07、0.14和0.21 mm進行車削實驗。實驗主要比較PCD復合倒棱車刀與PCD一階倒棱車刀的加工性能，如切削溫度、不同加工時間下零件的表面粗糙度。實驗中選擇了較大的切削深度，主要目的是加大刀具的磨損量以便于觀察，能夠反映出復合倒棱車刀在較大切削深度下的加工效果。

選取的PCD一階倒棱車刀參數(shù)為：倒棱寬度，0.20 mm；倒棱角度，25°。根據(jù)PCD復合倒棱車刀刃口結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果選取的PCD復合倒棱車刀參數(shù)為：一階倒棱寬度，0.20 mm；一階倒棱角度，25°;二階倒棱寬度，0.10 mm；二階倒棱角度，50°。實驗選用的車刀桿型號為MVJNR2020K16，工件材料選擇Al6061鋁合金，工件是直徑為20 mm的圓柱形棒料。

Al6061鋁合金具備良好的加工性能，廣泛應用于交通運輸、電子、航空、航天、兵器等領(lǐng)域，使用該材料時能獲取更好的零件表面質(zhì)量是重要研究內(nèi)容之一。切削過程參數(shù)是影響零件表面質(zhì)量的重要因素，除切削三要素外，切削液對零件表面的耐腐蝕性能有較大影響，目前的干式切削（即在切削加工中完全不使用切削液）已成為一種趨勢，其不僅能夠提高零件的耐腐蝕性能，還可以減少切削液對環(huán)境的污染，降低加工成本。但失去了切削液的冷卻和潤滑作用，也會對零件表面質(zhì)量和刀具磨損產(chǎn)生一定影響。由于PCD刀具內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其刀尖位置在高溫下不易破損，因此實驗采用干式車削方法，其實驗過程如圖22所示。

3.2實驗結(jié)果與分析

實驗選擇的切削溫度測量儀器為世敖SA-D24140ARC紅外測溫儀。由于對工件內(nèi)部溫度無法進行實時測量，實驗使用紅外測溫儀對加工區(qū)域的工件表面溫度進行測量。在數(shù)控車床對刀完成后，將紅外測溫儀的紅色光斑對準加工區(qū)域的工件表面，在相同的加工點，分別測量切削深度為0.07、0.14和0.21 mm，加工時間為2 min時，PCD復合倒棱車刀與PCD一階倒棱車刀加工后的工件表面切削溫度。為了減小測量誤差，分別對每種切削深度下的切削溫度進行5次測量并取平均值。切削溫度測量如圖23所示。

2種刀具下工件表面切削溫度隨切削深度的變化如圖24所示。由圖24可知：復合倒棱車刀與一階倒棱車刀的切削溫度隨著切削深度的增加均呈逐漸上升的趨勢，在相同切削深度條件下，復合倒棱車刀的切削溫度更低，這是因為復合倒棱車刀的二階倒棱起到了分離切屑的作用，切屑排出較為順暢，帶走了產(chǎn)生的大部分切削熱量。對比切削仿真與實驗時PCD復合倒棱車刀不同切削深度下的工件表面切削溫度，發(fā)現(xiàn)仿真切削溫度值與實驗切削溫度值存在一定誤差，但兩者變化趨勢一致。

實驗結(jié)束后，使用TR240便攜式表面粗糙度儀測量加工時間為10、20和30 min時的零件表面粗糙度（切削深度為0.14 mm），測量位置為零件的外圓柱表面，測量過程如圖25所示。

零件表面粗糙度隨加工時間的變化如圖26所示。從圖26中可以看出：在相同切削深度下隨著時間的增加，復合倒棱車刀加工零件的表面粗糙度要低于一階倒棱車刀的。究其主要原因是：一階倒棱刀具刃口結(jié)構(gòu)在切削加工中會產(chǎn)生切屑滯留區(qū)，切屑滯留區(qū)產(chǎn)生于刃口倒棱處并充滿整個倒棱區(qū)域，并充當了切削刃進行再加工。于是實際加工中的材料去除一部分為切削加工產(chǎn)生，一部分為擠壓變形產(chǎn)生，切屑滯留區(qū)的存在影響了加工零件的表面粗糙度；而復合倒棱刀具因有第二段倒棱存在，其結(jié)構(gòu)趨近于圓弧，分離切屑的功能較好，所形成的切屑滯留區(qū)較小，對零件表面質(zhì)量的影響較小，因此所加工零件的表面粗糙度較低。

同時，隨著加工時間的延長，2種刀具加工的零件表面粗糙度升高，工件的表面質(zhì)量均逐漸降低。對比2種刀具同一時間加工零件的表面粗糙度發(fā)現(xiàn)：在加工初期，2種刀具加工的零件質(zhì)量相差不大；隨著時間增大到30 min，PCD復合倒棱車刀加工的零件表面質(zhì)量明顯更優(yōu)。其主要原因是PCD復合倒棱車刀形成的切屑滯留區(qū)較小，承受來自切屑的擠壓力較小，長時間加工對刀具損傷較小，延長了刀具的使用壽命。

2種刀具的磨損形貌如圖27所示，其為切削30 min時刀具的磨損情況。從圖27可發(fā)現(xiàn)：2種刀具刃口及前刀面位置磨損均很嚴重，但對比2種刀具的磨損情況，能夠看出PCD復合倒棱車刀的磨損更輕。

4結(jié)論

在CATIA軟件中依據(jù)磨床COBORN RG9實際刃磨PCD倒棱刀具的工藝，建立圓柱形后刀面復合倒棱車刀三維模型；然后使用Deform V11.0軟件進行PCD復合倒棱車刀三維切削仿真分析，再使用仿真優(yōu)化后的PCD復合倒棱車刀與PCD一階倒棱車刀對Al6061鋁合金工件進行車削實驗，可得出如下結(jié)論：

（1）復合倒棱只有在較大的切削深度時才有提升工件光亮度的作用。

（2）在相同切削深度下，PCD復合倒棱車刀的切削溫度低于PCD一階倒棱車刀的。在切削深度為0.14 mm下進行30 min的工件車削加工，對比2種刀具加工的零件表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)隨著加工時間延長，PCD復合倒棱車刀加工的零件表面粗糙度更低，結(jié)合最終刀具的磨損狀態(tài)說明PCD復合倒棱車刀對切削工件的捋平效果更佳，工件的光亮度更高，抗磨損性能更好。

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作者簡介

石廣豐，男，1981年生，博士、教授。主要研究方向：光柵刻劃、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計、非球面加工等。

Email：shiguangfeng@cust.edu.cn

（編輯：周萬里）

Simulation and experimental analysis of composite chamfering of superhardcutting tools based on edge grinding technology

LI He1，SHI Guangfeng1，LV Hongbing2，YANG Yongming1，LI Sheng1，ZHU Lichun1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

（2.Jilin Jiuyuan Baina Steel Processing Co.，Ltd.，Changchun 130022，China）

Abstract Objectives：Circular edge chamfering PCD turning tools often feature a chamfered surface at the cutting edge to enhance tool durability.However，the arc at the tooltip causes a large amount of chip accumulation in front of the tool，making chip discharge difficult.This leads to increased cutting temperatures，accelerated tool wear，and re-duced surface brightness of the workpiece.To improve the brightness of circular edge chamfering PCD turning tools when processing non-ferrous metals and enhance the tool's durability，a composite chamfering structure is created by performing secondary chamfering on the basis of the circular edge chamfering tool.Methods：Using CATIA software and based on the actual grinding process of the PCD chamfering tool by the COBORN RG9 grinder，the grinding wheel is positioned at different points along the tool's moving path using the trajectory discrete envelope method.The unma-chined tool is enveloped，and the overlap between the grinding wheel and the tool is removed，resulting in a three-di-mensional approximate model of the composite chamfering tool.By extracting point coordinates，performing curve fit-ting，surface fitting，surface joining，and other methods，a three-dimensional model of the composite chamfering tool with a cylindrical back surface is established.Deform V11.0 software is then used to simulate the 3D cutting of the PCD composite chamfering tool，calculating the root-mean-square value of the cutting force and the mean cutting temperat-ure under different cutting depths and second-order chamfering widths，as well as under different cutting depths and second-order chamfering angles.The analysis focuses on selecting the second-order chamfering width for different cut-ting depths when the first-order chamfering width is fixed，and choosing the second-order chamfering angle for differ-ent cutting depths when the second-order chamfering width is fixed.Based on this analysis，the effects of different in-clination angles on the machining performance of the composite chamfering tool?such as chip flow changes，tool tem-perature variations，and tool wear?are analyzed.Finally，cutting experiments comparing the PCD composite chamfer-ing tool and the PCD first-order chamfering tool are conducted to analyze changes in cutting temperature under differ-ent cutting depths，surface roughness of the workpiece over different processing times，and the final wear states of the two tools.Results：The simulation analysis results show that：（1）When the first-order chamfering width is constant and the cutting depth is smaller than the first-order chamfering width，the second-order chamfering width should be greater than the cutting depth.（2）If the cutting depth is large（even close to the first-order chamfering width），the second-order chamfering width should be smaller than the cutting depth.（3）When the cutting depth is small and does not exceed the second-order chamfering area，a larger second-order chamfering angle should be selected.（4）When the cutting depth is large，a smaller second-order chamfering angle should be selected.When cutting at an oblique angle，as the inclination angle of the tool gradually increases，interference with chip removal generally increases.The wear and tool temperature of the composite chamfered turning tool generally increase，but when the inclination angle is 10°，wear and temperature of the tool are lower，and chip removal interference is minimized.（5）When cutting at an oblique angle，as the inclina-tion angle of the tool gradually increases，chip removal interference generally shows an increasing trend.However，at a 10°inclination angle，tool wear and temperature are lower，and chip removal interference is reduced.Specific experi-mental results of PCD tools show that，at the same cutting depth，the cutting temperature of the PCD composite chamfer-ing tool is lower than that of the PCD first-order chamfering tool.Furthermore，when the cutting depth is 0.14 mm and the workpiece is turned for 30 minutes，as processing time increases，the surface roughness of the workpiece processed by the PCD composite chamfering tool remianslower than that of the PCD first-order chamfering tool.Conclusions：The composite chamfering of the PCD tool improves the brightness of the workpiece when the cutting depth is greater.The final wear state of the tool indicates that the PCD composite chamfering tool has a better smoothing effect during cutting than the PCD first-order chamfering tool，resulting in higher workpiece brightness and better wear resistance.

Key words PCD turning tool；cutting depth；surface roughnesse；tool wear