石新華，周 偉，竇毅杰

（上海三菱電梯有限公司，上海 200245）

0 引言

加工表面粗糙度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、使用性能和可靠性均有重大影響。一些傳動(dòng)部件的制動(dòng)零件表面質(zhì)量要求很高，可達(dá)Rz6.3μm，部分區(qū)域甚至達(dá)到Rz1.0～2.0μm。這類(lèi)零件常見(jiàn)材料為珠光體灰口鑄鐵HT300，是典型的脆性材料，脆性材料車(chē)削過(guò)程中形成崩碎切屑，切削過(guò)程中切削力集中于切削刃附近很小的區(qū)域內(nèi)，前刀面與切屑接觸長(zhǎng)度很小，作用在刃口的局部壓力大，形成一定的切削沖擊性；同時(shí)石墨易從灰口鑄鐵表面脫落而形成凹痕，因此，相對(duì)而言，車(chē)削灰口鑄鐵切削穩(wěn)定性較車(chē)削結(jié)構(gòu)鋼差，更難以獲得理想的表面粗糙度。目前，高品質(zhì)傳動(dòng)部件制動(dòng)面部位最終工序基本上以磨削為主，加工效率低下。因此，對(duì)HT300車(chē)削表面粗糙度的研究具有重要的意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)立方碳化硼（PCBN）刀具的切削性能及應(yīng)用進(jìn)行了大量研究[1～5]，除了熱點(diǎn)的硬車(chē)削之外，PCBN刀具在高牌號(hào)的灰口鑄鐵高速切削中也有著出色的表現(xiàn)，刀具壽命遠(yuǎn)超過(guò)硬質(zhì)合金，表面質(zhì)量良好。

本文基于表面粗糙度理論，利用不同的PCBN刀片對(duì)HT300進(jìn)行大量的切削試驗(yàn)，研究PCBN中CBN含量、倒棱和晶粒度等因素對(duì)HT300車(chē)削表面粗糙度的影響，為鑄鐵零件以車(chē)代磨工藝提供理論和試驗(yàn)參考。

1 表面粗糙度理論

表面粗糙度是指加工表面所具有的較小間距和微小峰谷的微觀幾何形狀的尺寸特征。在新國(guó)標(biāo)GB/T 3505-2000中主要以Ra和Rz表示，如圖1所示。

1）Ra

Ra為表面輪廓算術(shù)平均偏差，是指在取樣長(zhǎng)度lr內(nèi)

圖1 表面粗糙度

縱坐標(biāo)的算術(shù)平均值，Ra是最常見(jiàn)的表面粗糙的表征，其離散形式的表達(dá)式近似為：

其中，Zi為圖1中輪廓線上各點(diǎn)的Z向數(shù)值，n為取樣長(zhǎng)度輪廓內(nèi)的取樣個(gè)數(shù)。以連續(xù)形式表達(dá)，則為：

其中，f(x)即取樣輪廓中縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的關(guān)系函數(shù)。

2）Rz

Rz為輪廓最大高度，是指在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓最大峰值Rp和最大谷值Rv之間的高度之和，其表達(dá)式為：

車(chē)削過(guò)程中形成的理論表面是以每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f為波長(zhǎng)的周期性螺旋輪廓表面，如圖2所示。

圖2 車(chē)削時(shí)的理論表面殘留高度

最大殘留高度理論上反映的就是Rz，可以表示為：

其中，r為刀尖圓弧半徑，f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。對(duì)上式微分計(jì)算，有：

切削殘留平均高度Rmean一定程度上決定了Ra的大小，可以描述為：

綜上，可以得到：表面粗糙度Ra與殘留平均高度Rmean有著直接的關(guān)系，Ra可以表達(dá)為[6]：

上式推導(dǎo)基于f<2r，如此式(11)中β才具有真正意義，切削時(shí)的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f比刀尖直徑小，這也與實(shí)際加工相符。

對(duì)式(12)進(jìn)行偏微分運(yùn)算，可以得到：

當(dāng)0x，因此，可以推導(dǎo)，當(dāng)f<2r時(shí)，

在計(jì)算時(shí)，略去表面粗糙度的高階分量，可以近似得到[7,8]：

從而，可知：

綜上所述，表面粗糙度與刀尖圓弧半徑及每轉(zhuǎn)進(jìn)給量有著直接的關(guān)系，在實(shí)際常見(jiàn)進(jìn)給速度下（f<2r），理論表面粗糙度與刀尖圓弧半徑成反比，而與進(jìn)給速度成正比。同時(shí)，理論表面粗糙度Rz與Ra有著近似的線性關(guān)系，兩者之比約3.897。

2 試驗(yàn)建立

實(shí)際加工中，增大刀尖圓弧半徑使得刀尖與工件接觸面積增大，切削力增大，造成振動(dòng)趨勢(shì)增大，反而不利于獲得更好的表面質(zhì)量；同樣，過(guò)低的進(jìn)給速度，一方面對(duì)機(jī)床設(shè)備的進(jìn)給機(jī)構(gòu)精度提出了更高的要求，另一方面長(zhǎng)時(shí)間的摩擦接觸也加劇了刀具負(fù)擔(dān)。

因此，實(shí)際切削加工中，無(wú)限度的增大刀尖圓弧和降低進(jìn)給速度，并不是降低表面粗糙度的理想策略，而是要從多方面的耦合因素進(jìn)行考慮。

對(duì)于PCBN刀片而言，刀尖圓弧、CBN成分、涂層、倒棱及晶粒度等多方面均能對(duì)表面粗糙度的獲得產(chǎn)生影響。

切削試驗(yàn)在一臺(tái)EMCO雙主軸數(shù)控車(chē)削中心進(jìn)行，測(cè)量?jī)x器選用Mitutoyo SJ210粗糙度儀，試驗(yàn)選取了多種PCBN刀片，對(duì)PCBN刀片車(chē)削HT300的切削性能及如何獲得理想的表面粗糙度進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，主要切削條件如表1所示。

試驗(yàn)刀片的特性如表2所示。

表1 切削條件

表2 試驗(yàn)刀片特性

3 結(jié)果與討論

3.1 PCBN刀片車(chē)削HT300表面粗糙度

3215是SANDVIK典型用于車(chē)削灰口鑄鐵的硬質(zhì)合金刀片，通過(guò)切削試驗(yàn)對(duì)硬質(zhì)合金材質(zhì)3215和PCBN材質(zhì)7525進(jìn)行分析比較，兩者獲得的表面粗糙度能力如圖3所示。

圖3 PCBN材質(zhì)與硬質(zhì)合金材質(zhì)車(chē)削HT300表面粗糙度對(duì)比

試驗(yàn)刀片刀尖圓弧相同，進(jìn)給速度和切削深度相同，PCBN材質(zhì)7525使用了較高的切削速度500m/min，而3215材質(zhì)使用了200m/min的切削速度。從結(jié)果可知，常規(guī)硬質(zhì)合金刀片車(chē)削HT300時(shí)，理想的Ra在0.8～1.0μ m，Rz在7～9μ m，而使用PCBN刀片，表面粗糙度可達(dá)Ra0.4～0.6μ m，Rz4～5μ m。

3.2 CBN含量對(duì)表面粗糙度的影響

7015材質(zhì)CBN含量?jī)H50%，而7525材質(zhì)CBN含量達(dá)90%，為獲得更加理想的表面質(zhì)量，進(jìn)給速度降低到0.05mm/rev，同時(shí)使用較高的切削速度700m/min，兩刀片各車(chē)削5次，結(jié)果如圖4所示。

圖4 CBN含量對(duì)表面粗糙度的影響

7525和7015在相同的切削條件下，新刀片車(chē)削時(shí)，兩者獲得表面質(zhì)量的能力相當(dāng)，然后，隨著切削次數(shù)的增加，7015材質(zhì)車(chē)削表面粗糙度明顯上升，而7525材質(zhì)依舊保持相對(duì)穩(wěn)定，試驗(yàn)后從刀具磨損情況可以明顯看出，CBN含量低的7015材質(zhì)在高速低進(jìn)給下刀具磨損明顯比7525嚴(yán)重，造成表面粗糙度上升。

3.3 大直徑圓形PCBN刀片車(chē)削性能分析

從表面粗糙度理論可知，要降低表面粗糙度，需要增大刀尖圓弧半徑，同時(shí)減小每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，然而，大圓弧引起的大切削力容易造成切削振動(dòng)，而過(guò)低的進(jìn)給對(duì)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)和刀具耐磨性均提出了更高的要求，為控制這些矛盾，在使用大直徑刀片時(shí)，切削試驗(yàn)采取了高速切削技術(shù)，高的切削速度使得切削力下降，避免了切削振動(dòng)的產(chǎn)生，極低的每轉(zhuǎn)進(jìn)給在高速下依舊可以保證穩(wěn)定的每分鐘進(jìn)給行進(jìn)，同時(shí)PCBN材質(zhì)的良好高溫紅硬性又保證刀具高速切削中的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)刀片為RNGN090300S02520M 7925，刀片直徑為9mm，切削速度為750m/min，切削深度為0.15mm，進(jìn)給速度為0.06mm/rev，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。可以看出，在高速低進(jìn)給下對(duì)大直徑圓弧PCBN刀片進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn)，表面粗糙度可達(dá)Ra0.3～0.4μ m，Rz2.5～4μ m。

圖5 大直徑PCBN刀片車(chē)削表面粗糙度

3.4 倒棱對(duì)表面粗糙度的影響

試驗(yàn)使用R N M N 0 9 0 3 0 0 E C B N 4 0 0 C和RNMN090300S02020 CBN400C兩款刀片進(jìn)行試驗(yàn)，刀片所用材質(zhì)及刀片形狀完全一致，兩者僅存在倒棱上的區(qū)別。結(jié)果如圖6所示。

圖6 PCBN刀片倒棱對(duì)表面粗糙度的影響

從圖6可知，雖然兩者試驗(yàn)結(jié)果互有交叉，但是相比有倒棱的刀片，無(wú)倒棱PCBN刀片更容易獲得理想的表面粗糙度。

3.5 晶粒度對(duì)表面粗糙度的影響

CBN晶粒度的大小不僅影響PCBN的燒結(jié)質(zhì)量，而且對(duì)切削表面質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生影響，試驗(yàn)選取不同粒度大小的CBN150材質(zhì)和CBN400C材質(zhì)，結(jié)果如圖7所示。圖7可以看出，具有微細(xì)晶粒度的CBN150材質(zhì)更易于獲得理想的表面粗糙度。

圖7 CBN晶粒度對(duì)表面粗糙度的影響

3.6 Ra與Rz的關(guān)系

對(duì)WNGA080412T01020B 7525刀片車(chē)削出的表面粗糙度分析，Rz與Ra得關(guān)系如圖8所示?？梢钥闯?，車(chē)削HT300時(shí)，Rz與Ra的比值并不是理論的3.897附近，而在8～10左右，究其原因，一方面與脆性材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面與車(chē)削時(shí)崩碎切屑對(duì)刀具的斷續(xù)沖擊造成的切削不平穩(wěn)性有關(guān)。

4 結(jié)論

本文對(duì)PCBN車(chē)削灰鑄鐵HT300表面粗糙度進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，主要結(jié)論有：

1）相比硬質(zhì)合金刀片，PCBN刀片更容易獲得理想的表面粗糙度；

圖8 車(chē)削HT300時(shí)Rz與Ra的關(guān)系

2）CBN含量高的PCBN材質(zhì)在高速切削下耐磨性比CBN含量低的PCBN材質(zhì)更好，獲得穩(wěn)定的表面粗糙度的能力更強(qiáng)；

3）大直徑圓弧刀片在高速低進(jìn)給下可以獲得一個(gè)穩(wěn)定的切削工況，車(chē)削時(shí)表面粗糙度可達(dá)Ra0.3～0.4μ m，Rz2.5～4μ m；

4）相比有倒棱的PCBN刀片，無(wú)倒棱的PCBN刀片更容易獲得理想的表面粗糙度；

5）晶粒度更加微細(xì)的PCBN材質(zhì)車(chē)削出的表面粗糙度更低；

6）車(chē)削HT300時(shí)，Rz與Ra的比值并非理論的3.897附近，而在8～10左右，因此當(dāng)對(duì)零件表面輪廓誤差要求嚴(yán)格時(shí)，控制Rz比控制Ra更有實(shí)際意義。

[1] 劉獻(xiàn)禮,陳波,嚴(yán)復(fù)鋼,等.PCBN刀具的選擇與使用[J].機(jī)械工藝師,1998.10:14-16.

[2] R.T. Coelho,E.G.Ng,M.A Elbestawi. Tool wear when turning hardened AISI 4340 with coated PCBN tools using finishing cutting conditions. International Journal of Machine Tools &Manufacture 47 (2007) ,263-272.

[3] 朱從容,王魄.整體PCBN刀片高速切削灰鑄鐵的研究[J].現(xiàn)代制造工程,2002,45(5):56-58.

[4] W.Y. Chen. Cutting forces and surface finish when machining medium hardness steel using CBN tools.International Journal of Machine Tools & Manufacture 40 (2000):455-466.

[5] G. Bartarya,S.K. Choudhury. State of the art in hard turning.International Journal of Machine Tools & Manufacture 53(2012):1-14.

[6] J.E. Stahla, F. Schltheiss, S. Hagglund. Analytical and Experimental Determination of the Ra Surface Roughness during Turning. Procedia Engineering 19 (2011):349-356.

[7] G. Boothroyd,W.A.Knight. Fundamentals of Machining and Machine Tools[M].New York：Marcel Dekker,1989.

[8] W. Grzesik.A revised model for predicting surface roughness in Turning. Wear 194 (1996):143-148.