楊成

1. 機械工業(yè)第九設(shè)計研究院股份有限公司 吉林長春 130011

2. 吉林工業(yè)大學(xué) 吉林長春 130022

1 序言

得益于硬車削的諸多優(yōu)點、機床剛度的提高以及陶瓷和立方氮化硼（CBN）刀具的發(fā)展，切削加工淬硬鋼取代了許多磨削工藝。盡管硬車削需要很小的背吃刀量和進給量，但硬車削中的材料去除率還是遠高于磨削。據(jù)估計，加工時間可縮短60%[1]。與磨削相比，車削工藝的靈活性增強也會導(dǎo)致所需機床數(shù)量的減少[2]。同時，減少切削液的使用是硬車削的另一個重要的經(jīng)濟和環(huán)保優(yōu)勢。

硬車削所需的刀具相對昂貴，因此研究刀具壽命以保證硬車削的經(jīng)濟合理性是非常重要的。無論能達到的尺寸精度和表面質(zhì)量如何，硬車削如果成本太高，則將無法代替磨削工藝。如果切削條件的選擇不當(dāng)，將會導(dǎo)致刀具過度磨損并抵消節(jié)約的成本。但保守的切削條件也會降低生產(chǎn)率故而增加成本[3]。由于最佳切削條件的選擇必須在生產(chǎn)率和刀具壽命之間進行權(quán)衡，因此需要研究切削條件對不同硬質(zhì)刀具材料磨損的影響。

2 試驗條件

本次試驗選取了19個未涂層和陶瓷涂層CBN刀具進行壽命測試。選擇了不同的切削速度和進給量的高低值，而在所有試驗中背吃刀量都保持在一個合理的值，涂層CBN刀片還測試了中間的速度和進給組合，以測試刀具故障的重復(fù)性。對5種不同等級的CBN刀具進行了評價。這些刀具是由兩個不同的供應(yīng)商提供的，標(biāo)記為“A”和“B”。測試的無涂層刀具為典型的低CBN含量刀具。這些低CBN含量陶瓷黏合劑材料刀具的CBN百分比約為65%。試驗中所用的刀具包括：低CBN含量基板上具有TiAlN涂層刀具、TiN涂層刀具及無涂層低CBN含量的刀具，這些刀具在切削刃上有一個特殊的幾何形狀修光刃。修光刃的幾何結(jié)構(gòu)允許其在不犧牲進給量的情況下改善表面粗糙度。所有切削刀片均為80°菱形，刀尖半徑為0.8mm，刃口倒角為20°～25°，寬度為0.1mm。刀架提供-5°側(cè)、后傾角。工件材料為AISI 52100管材，硬化至約62HRC。試驗切削條件見表1。

表1 試驗切削條件

3 弧坑磨損

圖1、圖2顯示了刀具壽命期間內(nèi)不同階段的光學(xué)顯微照片，圖中的刀具均在切削速度91m/min和進給量0.152mm/r的條件下試驗。

圖1 條件11刀具磨損過程

圖2 條件6刀具磨損過程

圖1顯示了低C B N含量刀具上的弧坑磨損過程。這種類型的磨損過程是未涂層低CBN含量刀具的典型情況。在圖1a中，弧坑開始在與工件接觸的刀具區(qū)域形成，幾乎只沿邊緣倒角發(fā)生。圖1b顯示，隨著切割的繼續(xù)，弧坑逐漸變大，越來越深。隨著弧坑磨損的發(fā)展，正前角的邊緣倒角幾何形狀變?nèi)跚忆J利。這種變化導(dǎo)致了刀具的弱化及失效。

兩個供應(yīng)商的未涂層刀具形成光滑的弧坑和側(cè)面，沒有明顯的碎屑。陶瓷涂層CBN刀具最初并沒有形成光滑的表面，在涂層表面磨損到CBN基底之前，顯示出明顯的碎屑。一旦弧坑區(qū)域的涂層表面磨損，進一步的磨損過程與未涂層刀具的磨損非常相似。如圖2所示，陶瓷涂層幾乎在切割開始后立即發(fā)生剝落。隨著涂層的磨損，側(cè)面磨損率沒有明顯變化，但一旦涂層消失，則弧坑增加。

4 刀具故障

雖然光學(xué)顯微照片允許觀察切邊，但不能提供切削刃幾何形狀變化的重要信息。利用ZYGO干涉儀可以獲得刀具的三維圖像。圖3顯示了未涂層刀具的弧坑磨損過程。隨著弧坑的形成，存在于刃口倒角處的負(fù)幾何體在刃口尖端轉(zhuǎn)變?yōu)榧怃J的正幾何體。這種刃口幾何形狀的變化削弱了刀具的性能，最終導(dǎo)致刀具在刃口薄弱處斷裂而失效。

圖3 3ZYGO干涉儀測量磨損

5 刀具壽命

刀具的刃口斷裂即判定為失效。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)刀具在發(fā)生刃口失效時，其最大側(cè)邊距測量值為0.15～0.2mm。刀具壽命結(jié)果見表2。

表2 刀具壽命結(jié)果

結(jié)果表明，切削速度對刀具壽命的影響遠大于進給量對刀具壽命的影響。降低切削速度可顯著改善所有刀具的累積切削時間和切削體積。降低進給量使切削時間增加，但對于刀具壽命仍有改善。然而，從刀具失效前去除的材料量來衡量刀具性能，則會產(chǎn)生不同的效果：從表2中指標(biāo)可以看到，進給量的減少實際上惡化了每個刀具的性能，對于大多數(shù)使用情況，保證合理的進給量是一個更明智的選擇，因為它直接關(guān)系到每個切削刃可以加工的零件數(shù)量。將刀具失效前的累積體積除以每個零件去除的材料量，即可得出可加工零件的數(shù)量，即

式中，n為零件數(shù)量（個）；f為進給量（mm/r）；v為切削速度（m/min）；d為背吃刀量（mm）；T為刀具失效前累積切削時間（min），vpart為每個零件去除的體積（cm3）。

零件數(shù)量必須根據(jù)切削時間和切削條件計算，但切削時間不明確。

為了選擇最佳條件，需要在刀具壽命、去除量和材料去除率之間的權(quán)衡。試驗結(jié)果顯示，對三者其一最好的條件不一定對另外兩個最好?；诔杀究紤]，優(yōu)化切削條件，由于CBN刀具相對昂貴，因此對刀具壽命的影響非常重要。為此，采用經(jīng)驗泰勒型刀具壽命方程

式中，T為刀具失效前累積切削時間（min）；v為切削速度（m/min）；f為進給量（mm/r）。

利用試驗數(shù)據(jù)，通過修正方程和線性回歸得到式（2）中的常數(shù)。

如果變量定義得當(dāng)，式（3）的形式與式（4）相同。

試驗刀具壽命與刀具壽命模型預(yù)測的誤差可由式（5）定義。

將誤差平方和最小化，可以計算β中包含的常數(shù)。

式（6）中使用了y（lnT）與x（lnv和lnf）的試驗數(shù)據(jù)來計算每個刀具的經(jīng)驗常數(shù)a和b。當(dāng)一個刀具只在3個條件下使用時，3個經(jīng)驗常數(shù)直接從數(shù)據(jù)中計算出來，由于每個數(shù)據(jù)點都用于計算，因此誤差幾乎為零。對于同樣以中等速度和進給量測試的涂層刀具，回歸結(jié)果顯示，刀具壽命值在試驗結(jié)果的14%以內(nèi)。

結(jié)果表明，大多數(shù)刀具的切削速度對刀具壽命的影響相似，a值接近-2.5。涂層刀具似乎對切削速度有更大的敏感性。進給量對刀具壽命的影響要小得多，而且在刀具之間似乎有很大的差異。

6 結(jié)束語

對5種不同的刀具材料在不同的切削條件下進行了全壽命試驗。低CBN含量刀具、TiN和TiAlN陶瓷涂層CBN刀具以及帶修光刃的刀具均在刀具供應(yīng)商建議的一系列條件下進行測試。使用光學(xué)顯微鏡和白光干涉法在每個刀具的使用壽命期間監(jiān)測刀具磨損，觀察弧坑和側(cè)面的磨損痕跡。在低CBN含量的刀具上形成光滑的弧坑表面，逐漸磨損，直至形成弱的刃口幾何形狀并發(fā)生刀具斷裂。TiN和TiAlN涂層刀具均顯示涂層明顯剝落。一旦涂層被磨損，就會在CBN基體上形成光滑的弧坑表面，類似于未涂層刀具的磨損。無涂層帶修光刃刀具的性能與同一供應(yīng)商的未涂層刀具非常相似，只是在相同情況下刀具壽命較短。

選擇最佳切削參數(shù)必須在生產(chǎn)率和刀具壽命之間取得平衡。一般來說，提高生產(chǎn)率的條件會縮短刀具壽命。為了了解切削條件對刀具壽命的影響，采用了經(jīng)驗泰勒模型。用線性回歸方法從試驗數(shù)據(jù)中得到經(jīng)驗常數(shù)。該模型的壽命預(yù)測與試驗結(jié)果吻合率在14%以內(nèi)，表明該模型能夠很好地捕捉切削速度和進給量對刀具壽命的影響。

試驗結(jié)果部分表明了工藝條件對不同CBN刀具磨損的影響?？梢酝ㄟ^優(yōu)化工藝參數(shù)，盡量減少與硬車削工藝相關(guān)的成本。如前所述，在生產(chǎn)率和刀具壽命之間存在一種折中，改進的表面粗糙度也與去除率相沖突。