1 序言

硬車(chē)削是一種發(fā)展中的技術(shù)，與磨削相比有許多優(yōu)點(diǎn)。為了提高這項技術(shù)的可實(shí)施性，必須解決有關(guān)該生產(chǎn)工藝滿(mǎn)足工件表面粗糙度和完整性要求的問(wèn)題。此外，此工藝的經(jīng)濟性，與刀具磨損模式和壽命密切相關(guān)。

如果硬車(chē)削所需的脆性刀具使用不當，硬車(chē)削的經(jīng)濟效益會(huì )因刀具快速磨損或刀具過(guò)早失效而下降。即使是穩定的、漸進(jìn)的刀具磨損也會(huì )因切削力、殘余應力，以表面再硬化層（通常稱(chēng)為白層）的形式而導致微觀(guān)結構發(fā)生變化。該領(lǐng)域的研究通常集中在選擇合適的刀具材料上，結果表明CBN（立方氮化硼）刀具的性能優(yōu)于碳化物或氧化鋁刀具。在適當的條件下，CBN刀具可以很好地平衡其昂貴的初始成本和長(cháng)刀具壽命。然而，刀具的側面磨損影響了白層的深度，也縮短了刀具的使用壽命。因此，如果不能更好地了解CBN刀具的磨損對工件表面質(zhì)量的影響，硬車(chē)削的實(shí)施將受到限制。

2 試驗條件

選取了17個(gè)不同的PCBN（人造聚晶立方氮化硼）切削刀片在整個(gè)壽命周期內在不同切削條件下進(jìn)行硬車(chē)削。試驗數據表顯示，測試的4種不同PCBN刀具來(lái)自2個(gè)不同刀具供應商，分別是高CBN含量和低CBN含量。兩刀具供應商分別被稱(chēng)為甲和乙，試驗條件涵蓋了刀具供應商提供的推薦值范圍。

所有的加工試驗都是在哈挺公司Conquest T-42SP車(chē)床上完成。被加工材料為AISI 52100鋼，硬度58～62HRC。切削刀片幾何形狀為80°菱形，20°邊緣倒角0.1 mm。刀柄提供－5°側前角和后前角，以及5°側刃和端刃角。試驗內容為對同一根硬化管坯分段進(jìn)行車(chē)削，對同一段管坯每次車(chē)削長(cháng)度為2.54 cm，試驗管坯（見(jiàn)圖1）直徑依次減小，車(chē)削20次后，該段管坯被線(xiàn)切割掉，接下來(lái)開(kāi)始下一段管坯的車(chē)削。切削前用氧化鋁刀片去除熱處理后的氧化層，以便在干凈的表面上進(jìn)行所有試驗。使用光學(xué)顯微鏡和ZYGO顯微鏡，定期進(jìn)行刀具測量。

圖1 試驗管坯

3 試驗結果分析

圖3所示新式加工機床由四大部分組成：三單元臥式加工單元、臥式五軸單元、工作臺底板及夾具、桁架自動(dòng)化送料系統。

3.1刃口磨損

在硬車(chē)削中，刃口是刀具壽命的關(guān)鍵。由于硬車(chē)削刀具所用材料脆性好，其邊緣堅固，所以幾何形狀有助于防止刀具過(guò)早損壞，但一旦有刃口切邊形成則會(huì )加速刀具磨損。這種情況會(huì )因大切削載荷和硬車(chē)削的負前角而放大?，F在刀具供應商會(huì )用磨光邊緣倒角來(lái)強化邊緣切削刃，這有助于提高刀具的壽命。

在硬車(chē)削方面的研究表明，刃口處理會(huì )影響硬車(chē)削中的切削力、殘余應力和白層。因為進(jìn)給量和背吃刀量都很小，以至于切削發(fā)生在刀具的刀尖半徑上，而且通常只發(fā)生在刃邊倒角上。刀具磨損前后對比如圖2所示。圖2b所示為磨損的弧坑區域。

a）磨損前

圖2　刀具磨損前后對比

由于刃口處理會(huì )影響刀具磨損和零件表面質(zhì)量，因此測量切削刃幾何外形在刀具壽命期間的變化情況非常重要。圖3為刀具刃口的二維剖面圖變化輪廓，此圖清楚地顯示了切削刃外形的巨大變化。磨損后的刀具與磨損前相比，由于前角從正值變?yōu)榇筘撝?，所以切削刃尖端的角度比初始切削刃弱，這是刀具斷裂的區域。通過(guò)這個(gè)試驗觀(guān)察測量可以得出刀具磨損外形剖面圖，為下一步測量刀具磨損區尺寸及預測刀具失效時(shí)間打下基礎。

a）磨損前

b）磨損后

圖3　刀具刃口的二維剖面

3.2側面磨損與刀具壽命預測計算

對刀面磨損量進(jìn)行量化非常重要，圖4顯示了刀具磨損前后切削刃三維表面圖像，測量圖4b磨損數據，可以獲得二維剖面圖（類(lèi)似于圖3），可用于測量側面磨損的寬度。

a）磨損前

b）磨損后

圖4　刀具磨損前后刀具側面狀態(tài)

根據切削時(shí)間和側面磨損測量值繪制的對應關(guān)系如圖5所示。

圖5　刀具的側面磨損測量值與切削時(shí)間的對應關(guān)系

刀具的側面磨損量可用式（1）計算

VB = at^b    (1)　　　　

式中，VB是側面磨損量（mm）；t是累積切削時(shí)間（min）；a和b都是特定刀具材料和切削條件組合的常數。

從圖5可以看出，在大多數切削條件下，后刀面在開(kāi)始階段磨損非常迅速，當側面磨損在150～200mm時(shí)，大多數刀具失效。通過(guò)圖5中的特定刀具在不同切削條件下的線(xiàn)性回歸數據，可以計算出常數a和b，得出這種刀具的磨損和切削時(shí)間關(guān)系的公式，這個(gè)公式是一種預測失效時(shí)間的簡(jiǎn)單方法。預計磨損量在超過(guò)150mm的情況下刀具會(huì )失效，利用式（1）可以計算出切削刀具的使用壽命。這是一種在合理切削范圍內預測后刀面磨損量或刀具壽命的方法。

3.3 切削參數及刀具材料對刀具壽命影響

刀具失效都是在刀具上發(fā)現刃口斷裂時(shí)或側面磨損超過(guò)200mm時(shí)確定的。選擇200mm是因為大多數刀具的側面凹地測量值在150～200mm。需要注意，失效標準是明顯的邊緣斷裂。但是，盡管邊緣斷裂，許多刀具還可以用于更多的加工。

在刀具壽命數據中有幾個(gè)值得注意的趨勢，最明顯的是在切削速度為91.4 m/min的條件下，刀具壽命顯著(zhù)提高。無(wú)論刀具材料、刀具供應商或背吃刀量如何，這一點(diǎn)都成立。增加進(jìn)給量的效果則較復雜，就使用刀具去除的材料量而言，增加進(jìn)給量對供應商甲的高CBN含量刀具壽命有不利影響，對于供應商甲的低CBN含量刀具和兩種等級的乙供應商刀具，這種趨勢卻是相反的，增加進(jìn)給量實(shí)際上會(huì )少量地提高刀具壽命。因此，對于大多數CBN牌號，進(jìn)給量的增加減少了刀具的使用壽命，但實(shí)際上增加了刀具可以去除的材料量。后者是一個(gè)更合理的刀具壽命指標，因為它直接關(guān)系到在給定的背吃刀量下可以用刀具加工的零件數量。

根據以上分析得出結論：為了提高刀具壽命，通常應選擇較低的切削速度，同時(shí)增加進(jìn)給速度。由于材料去除率與進(jìn)給速度和切削速度呈線(xiàn)性關(guān)系，因此將切削速度減半，同時(shí)將進(jìn)給速度加倍，可保持相等的去除率。但可接受的進(jìn)給速度有限制，這是由刀具所能承受的切削載荷而又不發(fā)生斷裂的能力決定的。

通過(guò)測量高CBN含量和低CBN含量的刀具壽命，發(fā)現使用低CBN含量刀具進(jìn)行切削具有優(yōu)勢，其原因是：在低CBN含量刀具中使用的陶瓷黏合劑，其黏結強度增加會(huì )使刀具壽命延長(cháng)，同時(shí)，陶瓷黏合劑還提供了一種復合刀具材料，與高CBN含量刀具100 W/（m·K）熱導率相比，其熱導率＜45 W/（m·K）。如果假設切削產(chǎn)生的大部分熱量（80%～90%）被切屑帶走，那么剩余的熱量必須進(jìn)入工件或刀具。較低的熱導率降低了進(jìn)入刀具的熱量，這有利于軟化工件并通過(guò)降低刀具溫度提高刀具的耐磨性。

4 結束語(yǔ)

硬車(chē)削是一種新興技術(shù)，由于生產(chǎn)率高、靈活性高、投資少和環(huán)保費用低，所以有可能取代許多磨削作業(yè)。但對硬車(chē)削中使用的脆性刀具的磨損和失效的研究有限，是阻礙該技術(shù)進(jìn)一步應用的最大障礙之一。為了解不同CBN牌號的磨損行為和使用壽命，采用四種不同刀具材料對17種切削條件下的試驗基體進(jìn)行了全壽命研究。研究結果表明，切削速度對刀具壽命的影響大于進(jìn)給速度或背吃刀量。CBN刀具進(jìn)行硬車(chē)削時(shí)，通過(guò)降低切削速度并保持合理的進(jìn)給速度和背吃刀量，延長(cháng)刀具的壽命并且使刀具在壽命周期內的材料去除量成倍增加，降低加工成本。

通過(guò)對不同CBN含量刀具切削試驗對比，發(fā)現低CBN含量刀具具有明顯的硬切削優(yōu)勢，這對刀具及其切削參數的選擇具有很好的借鑒參考意義。