PCBN刀具斷續(xù)切削高強(qiáng)度鋼的實(shí)驗(yàn)研究

朱坤杰 黃樹濤 周 麗 許立福

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159）

PCBN（聚晶立方氮化硼）是一種人工合成的硬度 僅次于金剛石的材料。硬度一般為3 000～5 000 HV，是目前已知的第二硬材料，也是目前市場上切削淬硬鋼性能較好的刀具材料［1］。PCBN刀片在1 200～1 300℃也能保持良好的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性［2］。整體式立方氮化硼（PCBN）刀具的出現(xiàn)，解決了早期的復(fù)合焊接式立方氮化硼（PCBN）刀具在切削加工硬鑄鐵，斷續(xù)硬車淬硬鋼，夾砂、白口鑄鐵這些領(lǐng)域中中遇到的刀片經(jīng)常崩刃、打刀及抗沖擊性不足等問題。整體立方氮化硼（PCBN）刀片可斷續(xù)加工，且遇到硬質(zhì)點(diǎn)不崩刃，適合粗加工、半精加工，其需要一把刀完成，吃刀深度沒有限制。58SiMn是我國自主研制的高破片率鋼，其強(qiáng)度高硬度高。58SiMn具有良好的淬透性能，穩(wěn)定的破片性能等使得它在我國炮彈彈體的制造方面得到廣泛應(yīng)用［3］。大量生產(chǎn)武器需要高效率加工58SiMn，而目前加工鐵系金屬通常采用的硬質(zhì)合金刀具已很難大幅提高加工效率［4］。本文使用整體PCBN刀具干式車削58SiMn鋼，對PCBN刀具斷續(xù)切削58SiMn材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究了切削速度、進(jìn)給量對切削力和表面粗糙度的影響，同時(shí)研究了斷續(xù)切削時(shí)切削速度對刀具損壞形式的影響，及進(jìn)給速度對切削力和表面粗糙度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

1．1 刀具材料

刀片選用整體立方氮化硼刀具，型號為SNMN1204;刀桿型號為CSSNR2525M12，刀具的幾何參數(shù)見表1。

表1 刀具幾何參數(shù)

1．2 工件材料

選用我國自主研制的炮彈彈體專用鋼58SiMn，由于它的C、Si、Mn含量較高，所以不僅強(qiáng)度和硬度高，合金碳化物和硬質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量也相應(yīng)增加，屬于難加工材料，材料經(jīng)過淬火處理，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2 和表 3［6］。

表2 58SiMn的化學(xué)成分 wt/%

表3 58SiMn鋼淬火后的力學(xué)性能

1．3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在沈陽第一機(jī)床廠生產(chǎn)的CAK6150數(shù)控車床上進(jìn)行，車削示意圖如圖1所示。切削過程為干式切削，實(shí)驗(yàn)采用切削速度V=102.2、145.1、205.7、276.7、389.7、569.9、768.1 m/min，進(jìn)給量f=0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 mm/r，切深ap=0.1 mm。實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用工件材料截面形狀如圖2所示。

切削力采集系統(tǒng)由瑞士Kistler公司生產(chǎn)的9257B型測力儀、5070型電荷放大器和筆記本電腦組成，用來測量切削過程中3個(gè)方向刀具受力。加工表面的表面粗糙度用北京時(shí)代公司生產(chǎn)的TR100表面粗糙度儀來檢測。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 車削力的分析

2．1．1 車削力信號分析

圖3為不同切削速度下所測得的切削力信號圖。從圖中可以看出，進(jìn)給力Ff、背向力Fp、主切削力Fc三個(gè)方向的力都有一個(gè)切入過程和切出過程，波動規(guī)律一致，切入過程由于沖擊切削力較大，隨后切削力波動較小，切削力的波動是由機(jī)床主軸的跳動、無規(guī)則振動、工件材料材質(zhì)不均勻、毛坯誤差等引起的。

2．1．2 車削力隨切削速度的變化

圖4表示進(jìn)給量為0.15、0.25、0.35 mm/r時(shí)平均切削力隨切削速度變化的曲線。圖中切削力是連續(xù)10次切削同一棱角的切削力平均值，后面各切削力變化曲線中切削力意義與此相同。由圖可知，切削時(shí)主切削力Fc和背向力Fp較大，進(jìn)給力Ff最小。隨著切削速度提高，3個(gè)方向的切削力呈緩慢減小趨勢，這是因?yàn)榍邢魉俣仍龈吆?，摩擦系?shù)減小，剪切角增大，變形系數(shù)減小，從而切削力減小。另一方面，切削速度增高，切削溫度也增高，使被加工金屬的強(qiáng)度和硬度降低，也導(dǎo)致切削力的減小，這與文獻(xiàn)［5］用PCBN刀具切削淬硬鋼的研究結(jié)論一致。

這種趨勢對應(yīng)一定的切削速度范圍，當(dāng)切削速度超過400 m/min時(shí)切削力隨切削速度的提高而增大，這是因?yàn)楫?dāng)切削速度增加時(shí)，塑性變形減小，塑性變形區(qū)也縮小，因此，硬化層深度減小。另一方面，切削速度增加時(shí)，切削溫度升高，弱化過程加快。但切削速度增高，又會使導(dǎo)熱時(shí)間縮短，因而弱化來不及進(jìn)行。當(dāng)切削溫度超過Ac3相變溫度（所有鐵素體向奧瓦體轉(zhuǎn)變）時(shí)，表面層組織將產(chǎn)生相變，形成淬火組織。因此，硬化層深度及硬化程度又將增加。硬化層深度先是隨切削速度的增高而減小，然后又隨切削速度的增高而增大。

2．1．3 切削力隨進(jìn)給量的變化

圖5表示切削速度在102.2、145.1、205.7 m/min時(shí)切削力隨進(jìn)給量的變化曲線。隨著進(jìn)給量增加，切削面積增加，切削力變大;當(dāng)進(jìn)給量超過0.3 mm/r，隨著進(jìn)給量增加，切削力開始呈現(xiàn)減小趨勢，這是由于隨著進(jìn)給量增加，切削面積的增加使切屑金屬變形率增大，切削區(qū)溫度升高，當(dāng)進(jìn)給量超過0.3 mm/r，切削區(qū)溫度達(dá)到金屬軟化溫度，金屬變軟后導(dǎo)致切削力減小。

2．3 切削速度對刀具損壞形式的影響

當(dāng)切削速度低于569．9 m/min時(shí)，刀具無崩刃現(xiàn)象。刀具的損壞以正常磨損為主，刀具前后刀面磨損形貌見圖6;當(dāng)切削速度達(dá)765 m/min時(shí)，刀具損壞以崩刃為主，刀具崩刃照片見圖7。

（1）低速時(shí)斷續(xù)切削沖擊較小，不足以使刀具崩刃;隨著切削速度的增高，斷續(xù)切削對刀尖的沖擊增大。PCBN刀具屬于硬度高、沖擊韌性較低的刀具。

（2）刀片能在1 200～1 300℃下保持很高的硬度，低速切削下切削區(qū)溫度相對高速切削時(shí)較低，此時(shí)刀片保持很高的硬度;當(dāng)切削速度增高時(shí)切削區(qū)溫度持續(xù)升高，過高的溫度使刀尖強(qiáng)度下降。

（3）低速時(shí)由于切削溫度相對較低，刀片受到的冷熱沖擊較小;切削速度增高，切削區(qū)溫度升高，斷續(xù)切削時(shí)切削行程使刀尖部分溫度迅速增高，空切行程刀尖溫度迅速降低，造成刀尖較大冷熱沖擊導(dǎo)致PCBN刀具過早崩刃。

3 結(jié)語

（1）使用整體PCBN刀具斷續(xù)加工58SiMn鋼時(shí)，沖擊力在主切削力和背向力上表現(xiàn)最為明顯，沖擊幅值較大，嚴(yán)重影響刀具使用壽命。

（2）整體PCBN刀具斷續(xù)加工58SiMn鋼時(shí)，在400 m/min以下切削速度范圍內(nèi)切削力隨著切削速度增高而減小，當(dāng)速度超過400 m/min時(shí)切削力隨切削速度的增高而增大。

（3）在同一切削速度下，進(jìn)給量小于0.3 mm/r時(shí)，隨著進(jìn)給量增加，切削力增大;當(dāng)進(jìn)給量大于0.3 mm/r，隨著進(jìn)給量的增加，切削力減小。

（4）切削速度較低時(shí)，刀具損壞形式以磨損為主;當(dāng)切削速度較高時(shí)，刀具損壞以崩刃為主。

［1］劉獻(xiàn)禮，袁哲俊，陳波，等．PCBN刀具應(yīng)用于先進(jìn)切削工藝研究［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，1998（9）:22－25．

［2］文東輝．PCBN刀具硬態(tài)切削機(jī)理及技術(shù)［D］．大連理工大學(xué)，2002．

［3］金成哲，賈春德．正交車銑高強(qiáng)度鋼的刀具耐用度及磨損機(jī)理研究［J］．工具技術(shù)，2005（9）:16－18．

［4］李海波，張弘弢，董海，等．PCBN刀片的研究制造現(xiàn)狀及發(fā)展［J］．工具技術(shù)，2007，41（10）:10－13．

［5］曹永泉，張弘，董海，等．PCBN刀具干濕切削淬硬鋼對比試驗(yàn)研究［J］．工具技術(shù)，2006，40（5）:19－21．

［6］張葉成．58SiMn鋼熱成形過程的微觀組織演變模擬［D］．重慶:重慶理工大學(xué)，2009．