楊海東， 張俊生， 鄒玉明， 葉 錚， 丁 寧， 陳鴻運

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

PCBN硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈的試驗研究

楊海東， 張俊生， 鄒玉明， 葉 錚， 丁 寧， 陳鴻運

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

為了提高粉末冶金氣門座圈實際加工中的加工表面質量和刀具壽命，需要研究聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具硬態(tài)切削時切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律。文章通過正交試驗設計，建立了PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈切削力的經驗公式，并研究了切削用量對切削力的影響。試驗結果表明：PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈時，刀尖圓弧半徑和負倒棱導致徑向力相對較大；切削參數(shù)中切削深度和進給量對切削力的影響較大，切削速度的影響相對較?。磺邢鱒581過程中，主切削力隨著切削速度的增加而有所下降；實際加工中應選用較小的切削深度和進給量、較高的切削速度，以提高加工表面質量和刀具壽命。

PCBN刀具；粉末冶金氣門座圈；切削力；正交試驗設計；經驗公式；負倒棱

氣門座圈是內燃機配氣機構上的重要零件，工作環(huán)境相當惡劣，因此對于其性能有很高的要求，主要有耐磨性、耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性。目前，國內外使用的氣門座圈材料［1－2］種類大體分為鑄造合金、粉末冶金和鍛鋼制品3種。隨著無鉛汽油的推廣，氣門座圈的腐蝕磨損減弱，機械磨損加強，粉末冶金材料氣門座圈［3－4］逐漸顯示出了巨大的優(yōu)勢。但是由于粉末冶金材料的多孔隙性和含有微觀硬質粒子等特點，使得在切削加工時產生沖擊、切削區(qū)溫度過高和刀具磨損劇烈。聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具具有較高的硬度、耐磨性和熱穩(wěn)定性，因而其應用于硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈時具有一定的優(yōu)越性。

國外對于PCBN刀具材料的研究［5－9］起步較早，研究成果的應用較多。近年來，國內對于PCBN刀具的研究［10－15］呈不斷增長趨勢，但總體其應用不夠成熟。本文通過正交試驗設計，建立PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈切削力的經驗公式，分析切削速度、進給量和切削深度對切削力的影響顯著程度，進而優(yōu)化粉末冶金氣門座圈加工中的切削參數(shù)，提高被加工件表面質量和刀具使用壽命。研究結果對于應用PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈有實用意義。

1 試驗方案

1.1 試驗條件

本試驗在CA6140車床上進行，采用外圓干式車削。試驗采用了V581（工件A）和ZN－1（工件B）2種粉末冶金氣門座圈，其外形尺寸完全相同，內、外圈直徑分別為30.7、50.6 mm，高度為6.6 mm，其主要化學成分和部分物理及力學性能見表1、表2所列。

表1 2種粉末冶金氣門座圈的化學成分 %

表2 2種粉末冶金氣門座圈的部分物理及力學性能

由表1、表2可以看出，工件A中的Cu、Cr、Ni、Mo和Co元素質量分數(shù)比工件B高，密度、洛氏硬度（HRC）、維氏硬度（HV）和壓潰強度也比工件B高。試驗分別采用了3種切削速度、進給量和切削深度，并通過瑞士Kistler公司的9257B型三向測力儀、電荷放大器和PC機組成的切削力采集系統(tǒng)來采集每次切削過程中的切削力。

工件A和工件B的硬度均較高，因此，本試驗采用了PCBN刀具硬態(tài)干式切削方式，選取了日本住友公司（Sumitomo）生產的牌號為BN100的PCBN刀片，其CBN的質量分數(shù)為85%，顆粒度為3μm，黏結劑為TiN，HV為4 000～5 000，導熱系數(shù)為217 W／（m·K）。

試驗中的PCBN機夾式可轉位三角刀片，安裝后的刀具幾何參數(shù)如下：前角γ0＝0°，后角α0＝11.5°，主偏角Kr＝75°，副偏角 Kr′＝45°，刃傾角λs＝0°，刀尖圓弧半徑rε＝0.8 mm。為了增加刃口強度，采用了－15°×0.1 mm的負倒棱。

1.2 試驗設計

為了建立PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈的切削力經驗公式，了解各切削參數(shù)對切削力的影響程度，試驗設計了三因素三水平的正交試驗方案。參照生產實際中的切削用量，試驗各因素和水平見表3所列。表3中，v為切削速度；f為進給量；ap為切削深度。

表3 正交試驗設計各因素和水平

2 試驗結果及分析

正交試驗設計及切削力測量結果見表4所列，每次切削的切削力是通過3次重復試驗取平均值得到的。從表4可以看出，工件A的切削力總體上比工件B稍大一些，各個切削分力中軸向力Fx最小，工件B的主切削力Fz最大，工件A的徑向力Fy最大。

切削力經驗公式一般表示為：

其中，CF為影響系數(shù)；x、y和z分別為ap、f和v對切削力F的影響指數(shù)。

對 （1）式兩邊取對數(shù)可得：

利用最小二乘法求解經驗公式，輔以Matlab數(shù)值分析軟件進行回歸分析，可以得到PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈的切削力經驗公式。

對經驗公式取對數(shù)后的多元線性回歸方程進行顯著性檢驗。各個回歸方程的顯著性檢測結果見表5所列。由顯著性水平α＝0.05查表得F0.05（3，5）＝5.41，表5中求得的F 值均比5.41要大，說明建立的PCBN硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈切削力的線性回歸方程是顯著有效的。

表5 2種材料切削力的回歸方程顯著性F檢驗

由經驗公式（3）式、（4）式可以看出，工件 A和工件B的各向分力除了工件A的主切削力Fz隨著切削速度v的提高而有所降低外，其余各向分力隨著切削深度ap、切削速度v和進給量f的增大而增大；工件A和工件B的軸向力Fx都是受切削深度ap的影響最大，切削速度v次之，切削參數(shù)中進給量f對軸向力的影響最??；切削速度v對工件A和工件B的徑向力Fy影響最小，切削深度ap和進給量f對工件A的徑向力Fy的影響基本相同，工件B的徑向力Fy受切削深度ap影響最大。工件A和工件B的主切削力Fz受切削深度ap影響最大，進給量次之，切削速度對工件B的主切削力基本無影響。

總體來看，工件A和工件B的徑向力Fy都較大，工件A中的徑向力Fy甚至大于主切削力，這主要是由于刀尖圓弧和負倒棱的緣故。試驗刀具的刀尖圓弧半徑rε要遠大于切削深度ap，使得切削刃的工作主偏角遠小于75°，如圖1所示。因此，切削合力Fxy沿徑向的分力Fy要遠大于軸向分力Fx。

負倒棱的存在使得切削合力Fyz產生了沿徑向的分力Fy2。負倒棱對徑向力的影響如圖2所示。

由圖1、圖2可知，刀尖圓弧和負倒棱都增大了徑向力Fy。

圖1 刀尖圓弧對實際工作主偏角的影響

圖2 負倒棱對徑向力的影響

對于表4中序號1～3的數(shù)據(jù)，如果忽略切削速度對切削力的影響，進給量f＝0.05 mm／r保持不變，分析切削深度ap對Fy／Fx和Fy／Fz的影響如圖3所示。從圖3可以看出，隨著切削深度ap的降低，F(xiàn)y／Fx和Fy／Fz的值越來越大，即刀尖圓弧和負倒棱對徑向力Fy的影響隨著切削深度的降低而越來越顯著。

圖3 切削深度a p對F y／F x和F y／Fz的影響

3 結束語

本試驗建立了PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈切削力的經驗公式，分析了各切削參數(shù)對切削力的影響，其中切削V581的主切削力在所選速度范圍內隨著切削速度的提高而有所下降。

PCBN刀具硬態(tài)切削粉末冶金氣門座圈時，徑向力Fy相對較大，這主要是由于刀尖圓弧以及負倒棱的緣故，甚至在切削V581的過程中出現(xiàn)徑向力大于主切削力的現(xiàn)象。

總體來說，切削速度v對切削力的影響不是很大，主要是切削深度ap和進給量f對切削力的影響較大。因此在實際加工中，優(yōu)化切削參數(shù)時盡量選擇較小的切削深度和進給量、較高的切削速度來提高加工表面質量和刀具壽命。

［1］屠穎斐，洪曉先，魏伯康.汽車發(fā)動機氣門座圈材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.汽車工藝與材料，2000（6）：22－26.

［2］河田英昭.易切鋼高耐磨性氣門座圈材料開發(fā)［J］.粉末冶金技術，2010，28（6）：467－472.

［3］韓鳳麟.汽車發(fā)動機粉末冶金閥座圈合金進展［J］.粉末冶金技術，2002，20（1）：38－48.

［4］韓鳳麟.汽車發(fā)動機粉末冶金閥座圈合金進展：續(xù)［J］.粉末冶金技術，2002，20（2）：100－108.

［5］Sadik M I.Wear development and cutting forces on CBN cutting tool in hard part turning of different hardened steels［J］.Procedia CIRP，2012（1）：232－237.

［6］Lalwani D I，Mehta N K，Jain P K.Experimental investigations of cutting parameters influence on cutting forces and surface roughness in finish hard turning of MDN250 steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，206（1）：167－179.

［7］Bartarya G，Choudhury S K.Effect of cutting parameters on cutting force and surface roughness during finish hard turning AISI52100 grade steel［J］.Procedia CIRP，2012（1）：651－656.

［8］Arsecularatne J A，Zhang L C，Montross C.Wear and tool life of tungsten carbide，PCBN and PCD cutting tools［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2006，46（5）：482－491.

［9］Bushlya V M，Gutrichenko O A，Zhou J M，et al.Tool wear and tool life of PCBN，binderless cBN and w BN－cBN tools in continuous finish hard turning of cold work tool steel［J］.Journal of Superhard Materials，2014，36（1）：49－60.

［10］文東輝.PCBN刀具硬態(tài)切削機理及技術［D］.大連：大連理工大學，2002.

［11］曹永泉，張弘弢.PCBN刀具硬態(tài)切削技術的研究與進展［J］.機械制造，2005，43（10）：58－60.

［12］呂 智，林 峰，謝志剛，等.國內PCBN技術進展及需要解決的瓶頸問題［J］.工具技術，2013，47（4）：3－7.

［13］劉獻禮，敖曉春，李振加，等.PCBN刀具的切削性能［J］.機械設計與制造，1999，28（1）：36－37.

［14］李玉甫，嚴復鋼，王 宇，等.PCBN刀具切削淬硬GCr15軸承鋼的切削力研究［J］.哈爾濱理工大學學報，2005，10（2）：136－138.

［15］Shao Fang，Wang Yuting，Zou Lijing，et al.Diffusion and oxidation wear of PCBN tool when cutting six workpiece materials based on thermodynamics［J］.Key Engineering Materials，2013，589／590：128－133.

Experimental investigation of PCBN cutting tool in hard turning of powder metallurgy valve seat

YANG Hai－dong， ZHANG Jun－sheng， ZOU Yu－ming，YE Zheng， DING Ning， CHEN Hong－yun

（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In order to improve the surface quality and tool life of hard machining powder metallurgy valve seat with polycrystalline cubic boron nitride（PCBN）tools，the influence of cutting parameters on cutting forces should be studied.By the orthogonal experimental design of PCBN cutting tool in hard turning of powder metallurgy valve seat，empirical formulas of cutting forces were set up and the effect of cutting parameters on cutting forces was studied.The experimental results indicate that the radial force is relatively large because of the tool nose radius and negative chamfer.The cutting forces are mainly influenced by feed rate and cutting depth，while the cutting speed has less effect.With the increasing of cutting speed，the main cutting force decreases during the machining of V581.Light cutting depth，low feed rate and high cutting speed should be chosen in practical machining to improve the surface quality and tool life.

polycrystalline cubic boron nitride（PCBN）cutting tool；powder metallurgy valve seat；cutting force；orthogonal experimental design；empirical formula；negative chamfer

TG711

A

1003－5060（2015）02－0145－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.001

2014－02－17；

2014－04－03

合肥工業(yè)大學產學研校企合作資助項目（12－174）

楊海東（1970－），男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學副教授，碩士生導師.

（責任編輯 閆杏麗）