趙飛

摘 要：PCBN刀具在高硬度材加工上應用廣泛，刃口倒棱的規(guī)格，干切的加工方式的選擇等使用策略非常重要。文章結合實際案例針對PCBN刀具在高硬度材加工中刀具刃口倒棱的加工以及干式切削加工的應用情況進行分析，已望供以后像類似項目提供參考。

關鍵詞：PCBN刀具；高硬度；應用策略

中圖分類號：TG711 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0106-03

Abstract： PCBN tools are widely used in the machining of high hardness materials. The specifications of edge chamfering and the selection of dry cutting methods are very important. Based on the actual case， this paper analyzes the application of PCBN tool in cutting edge chamfering and dry cutting in high hardness material machining， which has been expected to provide reference for similar projects in the future.

Keywords： PCBN tool； high hardness； application strategy

引言

在科技及經濟發(fā)展迅猛的今天，傳統(tǒng)的機械加工生產行業(yè)也在不斷的迎接一個個新的挑戰(zhàn)，機械零件的硬度和抗磨損性能要求逐步提高。在材料加工“金字塔”里，高硬度材料始終排在一般難加工材料的首位，其加工效率低下，加工成本高昂，一直是生產企業(yè)面臨的主要問題。PCBN刀具具有較高的硬度，熱穩(wěn)定性，耐磨性和抗粘結等綜合性能。逐漸成為代替磨削，高硬度材料車削的首選刀具。

1 工程概況

PCBN對應的是極其難切削的高硬度材料，其應用范圍非常廣泛。比如，以汽車來看。發(fā)動機曲軸，變速器齒輪，驅動軸，圓環(huán)，底盤零件等都需要強度高，耐磨性，抗疲勞性好的材料。特別是像汽車那樣，生產數(shù)量多的場合，特別需要進行高效率加工。因此，穩(wěn)定地，有效率地進行高硬度材料的加工尤為重要。首先要理解材料的特征，把握切削工具所需的主要特性非常重要。高硬度材料的一個大的特點就是硬度高。所以隨著硬度的提高，工具的磨損進程也會加快，因而，由于背向力大會導致突發(fā)小崩刃，崩損等情況發(fā)生造成加工不穩(wěn)定的因素。因此，為了實現(xiàn)穩(wěn)定加工，需要選擇抑制工具磨損的高硬度基體以及抑制小崩刃發(fā)生的合適刀尖規(guī)格。對于加工來說。一般工具牌號需要擁有被加工材料4倍以上的硬度。所以，高硬度材料加工一般使用PCBN刀具，如圖1 對于高硬度齒輪的加工，使用京瓷切削工具，并分別使用氧化鋁陶瓷刀具硬度HV=1，800-2，000和PCBN刀具的基材硬度HV=3，000-4，000 被加工齒輪表面經過淬火材料硬度HV=550-900。氧化鋁陶瓷刀片使用參數(shù)Vc=60m/min f=0.08mm/rev ap=0.15mm。PCBN刀片使用參數(shù)Vc=100m/min f=0.1mm/rev ap=0.15mm。結果氧化鋁陶瓷刀片加工5件后刀片崩損，PCBN刀片加工50件后刀片輕微磨損，且零件表面粗糙度穩(wěn)定。由此案例得出；加工高硬度材料使用的刀片的硬度越高刀片的耐磨損越強，工件表面質量越穩(wěn)定，刀片壽命越高。

2 PCBN刀具特性

PCBN刀具是CBN粒子與粘結劑的組織CBN含量與粘結劑的材質對性能的影響非常重要。CBN含有量多的CBN粒子與金屬粘結劑粘結時，粒子的保持力會減弱，加工高硬度材料會使粒子脫落，容易造成磨損情況。故高硬度材料加工使用CBN含有量少的CBN粒子，使用耐磨性高的陶瓷粘結，粘結力得到強化。因此，高硬度材料用的PCBN刀具CBN粒子含有量最多到60%左右。我們在選擇PCBN刀具時，一定按照被加工材料的情況選擇適合的牌號，一般刀具廠家會P05-P25不同硬度對應的選型。

因為PCBN的材料特性，其很難進行如硬質合金材料一樣壓鑄成不同的3D斷屑槽型，為了實現(xiàn)穩(wěn)定加工，通過磨削處理刀尖的幾何形狀來提高切削性能，當然刀尖規(guī)格的使用與區(qū)分也非常重要。這里表示的是CBN刀片的刀尖幾何斷面。通常情況下為了抑制CBN的崩損，會使用磨削倒棱來對刀具刃口進行保護，這個到棱是由寬度和角度共同組成。根據倒棱規(guī)格不同，加工特性也會隨之發(fā)生變化。倒棱寬度和角度變小，切削阻力降低，耐磨性提高。一般用于連續(xù)加工。相反，倒棱寬度和角度變大，抗崩損性也會得到提供，適用于斷續(xù)加工，如圖2所示。目前不斷的變化與應用，市場上的主要流通使用的PCBN刀片的刀尖有以下幾種規(guī)格0.12mm×25°，0.12mm×45°，0.05mm×45°。

3 應用分析

3.1 PCBN刀具刃口倒棱在加工中的應用

使用刀具：京瓷品牌 刀桿型號DCLNL2525M-12刀片型號CNGA120408（KBN05M）加工材料45# 滲碳淬火（55～60HRC）

使用機床：Mazak 350 數(shù)控車床

3.1.1 切屑阻力的比較

圖3是根據3種不同刀尖規(guī)格來表示切削阻力發(fā)生變化的示意圖。加工參數(shù)vc=150m/min、ap=0.2mmf=0.15mm/rev、橫軸表示各刀尖規(guī)格，縱軸表示切削阻力。左邊的刀尖規(guī)格是0.12mm×25°，中間的角度增大到0.12mm×45°，右邊的寬度縮小到0.05mm×45°。進行測試材料的外圓的連續(xù)加工比較，首先同樣的倒棱寬度，刀尖規(guī)格從25°增加至45°后切削阻力增大。相比之下、倒棱寬度從0.12mm逐漸減小到0.05mm，倒棱角度維持45°不變時，切削阻力減小，同比抵抗力最低。因此，除了一般的使用區(qū)分之外，倒棱角度大寬度小，刀具越加鋒利，可以有效達到削減切削阻力的目的。

3.1.2 耐磨損性比較

圖4這個圖表是3種刀尖規(guī)格進行實際加工后刀片后刀面磨損量的比較圖，橫軸表示切削時間，縱軸表示后刀面磨損量不同的刀尖規(guī)格。3種刀片磨損的進程相同，都是由快速磨損后開始平緩磨損。其中0.12mm×45°產生了很大的磨損，0.12mm×25°次之，最小的刀尖規(guī)格0.05mm×45°磨損得到了有效的抑制，由此可以判斷，相同的條件下，刀尖規(guī)格越小，加工時阻力越小，發(fā)熱量最小，致使的刀具磨損也最小。

3.1.3 抗崩損性比較

以上3點進行了進給f=0.15mm/rev的連續(xù)加工。為了測試刀尖的崩損，特使用 0.2mm/rev的進給對開了槽的材料進行外圓加工。如圖5 斷續(xù)加工上刀尖規(guī)格為0.05mm×45°進行了47個加工之后發(fā)生了崩損。倒棱寬度大的刀尖規(guī)格0.12mm×25°加工到100個后刃口出現(xiàn)了正常磨損情況，未發(fā)生崩損。所以，選擇合適的刀尖規(guī)格在高硬度材料的穩(wěn)定加工上起到了非常重要的作用。

通過以上對比分析，闡述并對比證明了不同刀尖規(guī)格在相同的加工條件下的不同表現(xiàn)，因此我們在加工生產應用PCBN刀具時，也要根據相關加工條件選用合適的刀尖規(guī)格來對應，如連續(xù)加工使用倒棱較小的刃口規(guī)格，斷續(xù)加工使用倒棱較大的規(guī)格效果更好。

3.2 PCBN刀具干式切削的應用

3.2.1 干式切削的意義

PCBN 在高硬度材料的連續(xù)切削加工中，刀具摩擦系數(shù)小，散熱迅速，是合適的干切工藝材料，其無廢氣廢水的產生，切屑可回收利用價值大，這對目前日益高漲的環(huán)保要求，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略里是一項綠色加工技術，對節(jié)省資源，保護環(huán)境，降低成本有重要意義。

3.2.2 干式切削對工件質量，刀具壽命的影響

因為PCBN刀具摩擦系數(shù)小，排屑流暢，散熱迅速，在應用中選擇干切也是得益于PCBN刀具對金屬的軟化效應，由于PCBN材料刀具具有較高的高溫硬度與熱穩(wěn)定性，在干切的高切削熱的作用下，被切削材料發(fā)生金屬軟化，硬度降低，使切削加工由難變易，所以PCBN刀具的切削能力就是在高溫下軟化金屬的能力。同時，材料熱變形及擠壓的切削性質使工件表面層以下產生殘余壓應力，壓應力有助于提高表面抗疲勞性，工件獲得了更好的表面質量。

干式切削比普通切削的刀具選擇前角更大更鋒利，如倒棱規(guī)格0.05mm×45°是較合適的連續(xù)干切的刃口規(guī)格，鋒利的刀尖可以有效降低切削區(qū)域刀片的溫度，降低了刀具的熱磨損。干式切削使切削加工中的熱量更均衡，減少刀尖熱龜裂的風險。

3.2.3 干式切削對機床的要求

干式切削所使用機床最好是斜床身布局，工作臺及蓋板使用絕緣材料，因為干式切削易出現(xiàn)金屬懸浮顆粒，故機床也需要加裝洗塵裝置并對機床進行密封，機床的基礎大件要采用熱對稱結構盡量由熱膨脹系數(shù)小的材料制成，必要時還應進一步采取熱平衡熱補償?shù)却胧?/p>

4 結束語

PCBN刀具應用發(fā)展迅速，在高硬度材上應用策略需要根據加工的材料的實際情況，選擇對應硬度的基體的PCBN牌號，采用合適的刀具倒棱。靈活運用干切的加工方式，發(fā)揮其綠色高效的特點。本文通過3種型號的刀具測試得出結論倒棱角度越大寬度越小，那么刀具越加鋒利。并且在相同的條件下，刀尖規(guī)格分為0.12mm×45°、0.12mm×25°、0.05mm×45°，刀尖規(guī)格越小，加工時阻力越小，發(fā)熱量最小，致使的刀具磨損也最小。

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