鄒 娟，成照楠，鄒 芹，，李艷國，王明智，齊效文

（1.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，河北 秦皇島 066004）

聚晶立方氮化硼PCBN（Polycrystalline cubic Boron Nitride）車刀硬度僅次于聚晶金剛石PCD（Polycrystalline diamond）車刀，具有更高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，比PCD車刀更適合加工黑色金屬，比硬質(zhì)合金和陶瓷車刀更耐用，加工效率更高，并且有媲美磨削的加工表面質(zhì)量［1－3］。有關(guān)PCBN刀具材料及其切削性能的模擬與實驗研究是超硬刀具研究領(lǐng)域的熱點之一。為了提高PCBN車刀性能，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究［4－14］，主要集中在材料性能測試及市售PCBN車刀切削磨損的研究上，而制造不同成分PCBN材料車刀并檢驗加工性能的相關(guān)報道很少。本文以有限元模擬和實驗相結(jié)合，對不同立方氮化硼（CBN）含量的新型PCBN材料和市售材料制作的車刀切削性能進行評價。

1 實 驗

前期工作中，本課題組通過使用非化學(xué)計量比TiN0.3和AlN為結(jié)合劑，合成了幾種不同CBN含量的高熵化合物結(jié)合劑PCBN材料［15］，發(fā)現(xiàn)其具有相當(dāng)高的熱穩(wěn)定性和耐磨性，其中CBN含量（體積分?jǐn)?shù)）80%的PCBN材料硬度達到32.38 GPa［16］。本文根據(jù)車刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果［17－18］建立有限元仿真模型，首先應(yīng)用Deform軟件模擬不同CBN含量90°刀尖角PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓面時刀尖與工件的應(yīng)力場；然后分別用自制和市售PCBN材料制造車刀，精車45＃淬火鋼外圓面，并對刀尖進行SEM掃描分析，比較刀具的切削性能。

1.1 仿真模型與邊界條件

選取外圓車削常用的焊接式90°刀尖角車刀，使用三維軟件建立PCBN車刀和45＃淬火鋼工件1∶1幾何模型，如圖1所示。刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)為：前角γ0＝0°、后角a0＝10°、主偏角κr＝40°、副偏角κr′＝50°、刃傾角λ0＝0°、刀尖圓弧半徑rs＝0.5 mm、鈍圓半徑ρ＝0.1 mm。在不影響模擬結(jié)果的前提下簡化幾何模型以提高運算效率。

圖1 Deform車削仿真幾何模型與簡化模型

模擬試驗所用自制PCBN材料和45＃淬火鋼工件的性能見表1。

表1 PCBN材料與45＃淬火鋼的性能

仿真試驗選用切削速度vc＝250 m／min、進給量f＝0.1 mm／r、背吃刀量ap＝0.25 mm。車削模擬選擇拉格朗日增量方式，模擬類型選擇變形和熱傳導(dǎo)，變形求解為Sparse求解，并選用Newton?Raphson迭代。設(shè)置環(huán)境溫度為20℃，干切削的切削液傳熱系數(shù)為0 W／（m2·K）、摩擦系數(shù)為0.3［19］，刀尖與工件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為4.5×104W／（m2·K）；仿真步長設(shè)置為4 800步、時間長為0.002 s。PCBN車刀和工件采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，PCBN車刀單元網(wǎng)格數(shù)為50 000，工件網(wǎng)格數(shù)為20 000，模擬獲得應(yīng)力場結(jié)果。

1.2 車刀切削實驗與表征分析

分別使用CBN含量（體積分?jǐn)?shù)）50%和80%的自制PCBN材料制成焊接式90°刀尖角車刀，對比使用同等CBN含量的市售PCBN材料制成的同型車刀，以車削速度v c＝250 m／min、進給量f＝0.1 mm／r、背吃刀量a p＝0.25 mm［16－17］在數(shù)控車床上完成45＃淬火鋼外圓面加工，車削距離500 m。車削實驗后，分別對4種車刀的刀尖進行SEM分析，獲得微觀結(jié)構(gòu)照片，評價兩類PCBN車刀的性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 車刀切削模擬結(jié)果與分析

模擬90°刀尖角PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓面，得到穩(wěn)定車削時車刀與工件的應(yīng)力場結(jié)果見圖2～3。對比車刀應(yīng)力場可知，2種CBN含量的PCBN車刀受力情況基本一樣，應(yīng)力最大值點集中在刀尖靠近主切削刃的前刀面上，這是因為前刀面與切屑流接觸承受主切削力［20］，其中CBN含量50%的PCBN車刀應(yīng)力極值略高。工件變形區(qū)的應(yīng)力場形式基本相同，應(yīng)力呈梯度變化，最大值位于刀尖擠壓工件變形處，吃刀方向應(yīng)力值較大。

圖2 CBN含量50%應(yīng)力場模擬結(jié)果

圖3 CBN含量80%應(yīng)力場模擬結(jié)果

主切削力隨時間變化統(tǒng)計結(jié)果見圖4?？梢姴煌珻BN含量的PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓面時主切削力變化基本一致。

圖4 主切削力模擬結(jié)果

2.2 車刀實驗切削結(jié)果與分析

焊接式90°刀尖角PCBN車刀見圖5。刀尖使用PCBN材料，刀體材料為硬質(zhì)合金。各車刀詳細(xì)信息見表2。

圖5 實驗所用PCBN車刀

表2 實驗用PCBN車刀的材料信息

在車床上完成PCBN車刀加工45＃淬火鋼工件的切削實驗，4種車刀的刀尖SEM圖見圖6。由圖6可見，1號車刀磨損區(qū)寬度約80μm，刃緣有輕微月牙凹磨損；2號車刀磨損區(qū)寬度約50μm，磨損輕微且范圍很小，月牙凹不可見；1號、2號車刀刀尖前刀面上的凸起是由于黏接了工件材料。3號車刀磨損區(qū)寬度約130μm，刃緣有明顯磨損；4號車刀磨損區(qū)寬度約90μm，刃緣有較明顯月牙凹磨損。根據(jù)磨損程度，4把車刀耐磨性由高到低排序為：2號樣品＞1號樣品＞4號樣品＞3號樣品。2號車刀耐磨性相對較好，但韌性相對較差。

圖6 PCBN車刀切削后刀尖SEM圖

實驗時2號樣品車刀有一只發(fā)生崩刃，如圖7所示。從圖7可以看到，車刀刀尖沿副切削刃方向斷裂，由于幾把車刀加工用量參數(shù)是相同的，表明2號樣品韌性相對較差。

圖7 2號樣品崩刃效果

2.3 討 論

結(jié)合仿真試驗數(shù)據(jù)，可知不同CBN含量的PCBN車刀在加工過程中車刀受力沒有明顯區(qū)別，主切削力變化相似，說明同樣結(jié)構(gòu)參數(shù)的PCBN車刀在相同的切削用量條件下使工件材料發(fā)生變形的情況是近似的，但會使刀具產(chǎn)生不同程度磨損。平均主切削力實測值與模擬值對比見圖8。實測值約大于模擬值10%，這是車削過程中金屬瘤在前刀面聚集導(dǎo)致摩擦加劇，以及設(shè)備穩(wěn)定性造成的。市售PCBN材料制作的車刀平均主切削力較小與其磨損程度較大有關(guān)，隨著磨損量增加，實際切削用量逐漸減小。自制PCBN材料在原TiN0.3和AlN結(jié)合劑基礎(chǔ)上，添加微量組分TaC、WC、VC和ZrC等碳化物［16］，顯著改良了PCBN燒結(jié)體的韌性和耐磨性。自制CBN含量50%的PCBN車刀實驗結(jié)果較優(yōu)，從使用效率看，具有較高的經(jīng)濟效益。自制CBN含量80%的PCBN車刀韌性相對較差。

圖8 實測與模擬平均主切削力對比圖

3 結(jié) 論

1）通過Deform軟件對CBN含量50%和80%的焊接式90°刀尖角PCBN車刀精車45＃淬火鋼外圓面仿真分析可知，CBN含量對主切削力影響不顯著。

2）CBN含量增加，PCBN材料硬度和耐磨性增強，韌性降低，CBN含量50%的自制PCBN車刀綜合性能較好。

3）對比自制及市售PCBN材料制作的車刀精車45＃淬火鋼外圓面后刀尖磨損情況，在CBN含量相同的情況下，自制PCBN材料車刀的性能較優(yōu)。