with PCBN milling cutter

徐媛媛，呂超珍，吳耀明

XU Yuan-yuan, LV Chao-zhen, WU Yao-ming

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530001)

0 引言

PCBN刀具材料雖然具有極高的硬度和優(yōu)良的耐磨性，但韌性和強(qiáng)度較差，在斷續(xù)切削中，刀齒在切入或切出工件時(shí)，都有沖擊，容易引起PCBN刀具壽命的下降，而采用合理的刀具幾何參數(shù)可以提高它的抗破損能力和獲得較高的切削耐用度。因此研究PCBN刀具銑削灰鑄鐵HT200的幾何參數(shù)對(duì)切削耐用度的影響有著重要的意義。

1 試驗(yàn)條件

本文通過(guò)用PCBN刀具銑削HT200灰鑄鐵的切削試驗(yàn)，采用單因素試驗(yàn)法，研究某一幾何角度對(duì)刀具耐用度的影響。刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VBmax=0.2mm，由于是斷續(xù)切削，考慮PCBN刀具的韌性不高，刀具倒棱可以提高刀具切削部分的強(qiáng)度和散熱能力，避免刀具發(fā)生損壞，提高刀具的耐用度，但是為了避免增加切削力過(guò)多，倒棱取值的不宜過(guò)大，取0.1mm為宜。其他的試驗(yàn)條件如下：

工件材料：HT200(HBS170～240)灰鑄鐵

試驗(yàn)設(shè)備：X53K立銑床

加工方式：?jiǎn)锡X對(duì)稱(chēng)銑削

銑刀盤(pán)直徑：Φ125mm，單齒切削，刀頭結(jié)構(gòu)如圖1所示

刀具幾何參數(shù)：Kr=75°

刀片尺寸：16mm×16mm

切削用量：VC=235m/min，asp=0.4mm，fz=0.2mm/z

圖1 銑刀頭結(jié)構(gòu)圖

2 PCBN刀具銑削HT200合理幾何參數(shù)的選擇

2.1 前角γ0對(duì)PCBN刀具耐用度的影響

切削試驗(yàn)的幾何角度條件為：端銑刀刃傾角λs為-7°,后角α0為6°，前角γ0分別取-5 °、-10°、-15°、-20°，研究不同負(fù)前角對(duì)刀具耐用度T的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 PCBN刀具的T－γ0關(guān)系曲線

從圖2中可看出，刀具負(fù)前角太大或太小，刀具的耐用度都會(huì)降低，在一定的切削條件下，存在有一個(gè)合理負(fù)前角γ0pt，本文試驗(yàn)條件下，PCBN銑削灰鑄鐵HT200，合理前角γ0pt＝-9°～-11°刀具獲得最大耐用度。

合理前角γ0pt分析：合理前角主要應(yīng)該根據(jù)工件材料、刀具材料和加工方式等影響因素來(lái)選擇確定。

1）工件材料對(duì)合理前角γ0pt選擇的影響

加工脆性材料灰鑄鐵HT200時(shí)，切屑和前刀面的接觸長(zhǎng)度是很小的，壓力中心靠近刀刃，易崩刃，考慮這種情況，需要選擇較小的前角或負(fù)前角以提高刀尖的強(qiáng)度和散熱能力，保證刀具的耐用度。

2）刀具材料對(duì)合理前角γ0pt選擇的影響

PCBN刀具雖然耐磨性和耐熱性較高，但是韌性較低，應(yīng)當(dāng)選擇負(fù)前角來(lái)增加抗破損能力和提高刀尖強(qiáng)度，即在一定范圍內(nèi)，負(fù)前角越大，PCBN刀具耐用度越高。

3）加工方式對(duì)合理前角γ0pt選擇的影響

銑削加工為斷續(xù)切削加工，切削過(guò)程中切削力是變化的，為了減少?zèng)_擊，避免不平穩(wěn)的加工狀態(tài)出現(xiàn)，要選擇負(fù)前角提高刀刃強(qiáng)度。采用負(fù)前角的刀面形式，刀刃的強(qiáng)度好，不易崩刃，但是切割作用減弱，它對(duì)切屑的推擠作用增加，切屑的變形大，易斷屑，合理增大負(fù)前角可以提高刀具散熱能力，增加刀具強(qiáng)度，能提高銑刀的耐用度。但是過(guò)大的負(fù)前角會(huì)帶來(lái)切削力的波動(dòng)和振動(dòng)，增大切削力和切削熱，尤其在低速區(qū)切削的時(shí)候尤其要注意出現(xiàn)振幅加大的現(xiàn)象。

以上諸因素中，應(yīng)側(cè)重考慮加工方式和刀具材料本身對(duì)合理前角選擇的影響。即負(fù)前角增大可以增加刀具的刃口的抗銑削沖擊能力和散熱能力，但是由于加工脆性材料灰鑄鐵HT200，越大的負(fù)前角越易產(chǎn)生更多的崩碎切屑，導(dǎo)致切削力的波動(dòng)和切削力的數(shù)值都會(huì)增大，切削熱增多，刀具的磨損會(huì)加快。綜合以上因素，因此PCBN刀具銑削HT200的合理前角為-9°～-11°為宜。

2.2 后角α0對(duì)PCBN刀具耐用度的影響

在一定的切削條件下，刀具的后角存在一個(gè)對(duì)應(yīng)最大刀具耐用度的合理數(shù)值α0pt。

后角切削試驗(yàn)取端銑刀刃傾角λs為-7°，前角γ0為-9°，后角α0分別取3°、5°、8°、10°、12°五個(gè)水平，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3T-α0關(guān)系曲線。

圖3 PCBN刀具的T－α0關(guān)系曲線

如圖3所示：采用較小后角，刀具耐用度變小。后角過(guò)大也會(huì)使得刀具耐用度下降，使得刀具發(fā)生崩刃和早期破損。因此PCBN刀具銑削灰鑄鐵HT200采用α0pt＝5°～7°為宜。

為了提高PCBN刀具抗破損能力，合理后角度取值不應(yīng)過(guò)大，合理后角α0pt產(chǎn)生主要考慮與切削層公稱(chēng)厚度、工件材料和加工方式等有關(guān)。

1）切削層公稱(chēng)厚度hD對(duì)合理后角α0pt選擇的影響

一般而言，切削層公稱(chēng)厚度hD越大，合理后角α0pt越小，反之α0pt越大。保證刀具最高耐用度的合理后角值，主要取決于切削層公稱(chēng)厚度hD，因而銑削加工主要應(yīng)根據(jù)切削層公稱(chēng)厚度hD來(lái)選擇后角的大小。 本文試驗(yàn)采用對(duì)稱(chēng)銑削，所用的銑刀盤(pán)直徑D=125mm，工件的寬度B(銑削寬度αe)為銑刀盤(pán)直徑的-，即B=100mm，根據(jù)《銑工手冊(cè)》計(jì)算平均銑削厚度為：

切削厚度比一般的車(chē)削要小，因此適當(dāng)?shù)脑黾雍蠼强梢詼p少后刀面的摩擦，延長(zhǎng)刀具的耐用度。

2）工件材料對(duì)合理后角α0pt選擇的影響

銑削灰鑄鐵時(shí)候，加工表面和后刀面的接觸長(zhǎng)度比加工塑性材料金屬要短，但是后角越小，銑削力增大，工件的加工面和刀具的后刀面這兩者之間的摩擦增大，加劇后刀面的磨損，刀具耐用度會(huì)降低。切削脆性金屬時(shí)，切削力主要集中在刃口附近，不宜取過(guò)大后角，后角過(guò)大，刀尖強(qiáng)度下降，反而會(huì)降低刀具的耐用度。

3）加工方式對(duì)合理后角α0pt選擇的影響

銑削加工承受一定的沖擊載荷，為了避免出現(xiàn)振動(dòng)和保護(hù)刀刃，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小后角來(lái)維持一定的刀刃強(qiáng)度。

以上幾個(gè)因素中，主要考慮保證銑削加工中的刃口強(qiáng)度和減小摩擦兩方面問(wèn)題，后角不應(yīng)該太大或太小，由于采用了負(fù)前角，加工脆性材料金屬，可以適當(dāng)增大后角來(lái)造成切削刃切入金屬的條件。因此，為獲得最大刀具耐用度，合理后角通過(guò)切削試驗(yàn)確定為α0pt＝5°～7°。

2.3 刃傾角λs對(duì)PCBN刀具耐用度的影響

確定合理刃傾角λspt的切削試驗(yàn)的幾何角度條件：后角α0為6°，前角γ0為-9°，刃傾角λs分別取-5°，-8°，-12°，-15°，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 PCBN刀具的T－λs關(guān)系曲線

如圖4所示，過(guò)大或過(guò)小的負(fù)刃傾角都會(huì)帶來(lái)刀具耐用度的下降，刀具的刃傾角在-8°左右時(shí)獲得最大耐用度。

合理刃傾角λspt主要考慮切削方式的影響：刃傾角對(duì)銑削性能有較大影響，為延長(zhǎng)刀具使用壽命，尤其在斷續(xù)切削要著重考慮刀尖的強(qiáng)度，負(fù)的刃傾角(-λs)切削，是遠(yuǎn)離刀尖的切削刃先接觸工件，切削刃是逐漸切入，刀尖可免受沖擊，保護(hù)刀尖，且切削過(guò)程較平穩(wěn)，提高刀具承受沖擊的能力。負(fù)的刃傾角對(duì)刀具耐用度的影響，可以轉(zhuǎn)化為負(fù)前角對(duì)刀具耐用度的影響。PCBN刀具的抗沖擊韌性較低，不宜選擇正的刃傾角。為了避免徑向力增加過(guò)多，負(fù)值也不宜太大，因此合理刃傾角度的范圍考慮取-6°～-8°。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）PCBN刀具抗沖擊能力差，采用負(fù)前角切削可以增加刀具的強(qiáng)度。切削脆性鑄鐵時(shí)，過(guò)大的負(fù)前角帶來(lái)切削力波動(dòng)，會(huì)引起刀具耐用度下降，在本文的試驗(yàn)條件下合理負(fù)前角為-9°～-11°。

2）PCBN刀具銑削灰鑄鐵采用后角5°～7°，減少后刀面的摩擦和保證刃口強(qiáng)度，獲得較好的刀具耐用度。

3）采用負(fù)刃傾角切削可以增強(qiáng)PCBN刀具刀尖的強(qiáng)度，合理刃傾角考慮為-6°～-8°。

[1] 徐媛媛,灰鑄鐵銑削加工PCBN刀具工藝參數(shù)研究[D],華中科技大學(xué).2007.

[2] E.Abele.Wear Mechanism When Machine Compacted Graphite Iron.CIRP,2002:324-329.

[3] 丁維軍,張弘韜.PCBN刀具負(fù)倒棱前角的合理設(shè)計(jì)及其對(duì)殘余應(yīng)力的影響[J].工具技術(shù),1996,30(6):21-23.

[4] 朱從容.PCBN刀具及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程.2001,30(2):65-66.

[5] 吳湘檸,劉冠民.PCBN端銑刀精銑淬火鋼時(shí)刀具合理幾何參數(shù)的選擇[J].工具技術(shù),2006,2:41-44.