PcBN刀具车削淬硬高速钢的切削力与温度研究

1、PcBN刀具车削淬硬高速钢的切削力与温度研究第19卷第4期2007年8月超硬材料工程SUPERHARDMATERIALENGINEERINGVolI19Aug.2007PcBN刀具车削淬硬高速钢的切削力与温度研究冯吉福,吕智,林峰,姜伟,李立维(桂林矿产地质研究院国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林541004)摘要:应用正交试验设计,研究了PcBN刀具车削淬硬高速钢的切削力,切削温度以及切屑形态.结果表明:切削深度和进给量的增加而引起切削力的增大,切削速度的增加而引起了切削力的减小,切屑具有绝热加工形成的锯齿形态特点.关键词:PcBN刀具;切削力;淬硬高速钢;切削温度中图分类号:TQ1

2、64文献标识码:A文章编号:16731433(2007)04-001605CuttingforceandtemperatureofcuttinghardenedsteelwithPcBNcuttersFENGjifu,LUZhi,LINFeng,JIANGWei,LILiwei(GuilinResearchInstituteofGeologyforMineralResources,ChinaNationalSpecialMineralMaterialEngineeringResearchCenter,Guilin,Guangxi541004,China)Abstract:Machiningte

3、stswerecarriedoutonthehardenedsteelusingpolycrystaUinecubicboronnitride(cBN)cuttingtoolswhichweresynthesizedbyorthogonaltestdesign.Thecuttingforces,cuttingtemperaturesandcuttingmorphologywereexamined.Theresultsshowedthatthecuttingforcesincreasedwiththeaugmentofcuttingdepthandfeed,butdecreasedwiththe

4、incrementofcuttingspeed.Andthecuttingchippresenteddentatecharacteristicswhichwerelikelyformedbyheatresistantprocessing.Keywords:PcBN;cuttingforce;cuttingtemperature;hardenedsteel0引言多晶立方氮化硼(PcBN)是由cBN作为主要成分与结合剂在高温高压下烧结而成的聚晶体,结合剂主要有金属型(以Co,Ni为代表),陶瓷型(以TiC,TiN,Al:O为代表)或金属一陶瓷混合型.PcBN已广泛用于数控机床,多用途机床,自动化,

5、专用高速机床,柔性生产单元或柔性生产系统为基础的自动化生产线,用于各种高硬度材料(如冷热作工具钢,高速钢,轴承钢,粉末冶金钢,粉末冶炼金属,马氏体不锈钢,高强度钢,高锰钢,白口铸铁,奥氏体软铁等)的切削加工.用PcBN刀具实施硬态切削工艺可改变传统切削一淬火一磨削的制造工序,能有效地提高生产效率和降低能量消耗.虽然PcBN刀具在淬硬钢的切l,JI工中具有很多优势,但国内还没有推广使用这种新型超硬刀具材料.最重要的原因是工厂缺乏对PcBN刀具切削性能和使用技术的了解.PcBN刀具切削淬硬钢时切削力的特征及其变化规律是衡量PcBN刀具切削性能的重要指标之一.同时通过试验可以让生产PcBN的单位理解

6、PcBN使用中的工作状况,开发性能更好的产品.本文选择了红硬性较好的高速钢作为工件材料,研究了PcBN刀具车削过程中的切削力和切削温度.1试验条件1.1试验系统实验在数控车床(型号CAK6150DJ)上进行,切削力是利用KISTLER9257BA压电晶体测力仪进行测收稿日期:2007一O71O作者简介:冯吉福(1973-),男,高级工程师,主要从事超硬材料合成及PCD,PcBN方面的研发工作.16量,所测得的切削力信号,送至信号采集系统DEWE-2010.通过测力仪测得加工过程中的三个方向的力F,F,F,其具体方向如图1所示.F,F,F分别为轴向力,径向力和切削力.图1切削力示意图Fig.1S

7、ketchofcuttingforce切削温度的测量采用自然热电偶法来测量.测量系统由刀具一工件组成热电偶,切削时产生的热电势,送至信号采集系统DEWE-2010.刀具一工件组成热电偶事前经过标定.测量系统框如图2所示.图2切削温度及切削力测试系统框图Fig.2Frameworkdiagramofcuttingtemperatureandcuttingforcemeasurementsystem1.2PcBN刀具结构和工件材料的性能由于PcBN刀具抗冲击的能力较差,为保护PcBN刀具刃口和延长刀具寿命,常对PcBN刀具的刃口做倒棱和钝圆处理,由此得到两种典型的PcBN刀具结构形式.实验采用的车

8、刀是由cBN含量高达9O的PcBN制成的刀具,刀具参数:后角a.=0.,前角y0一O.,刀尖圆弧ylo.4,倒棱Yo,=一6.,K,=75.,K,一15.工件材料的性能:选用淬硬高速钢w18cr4V作为切削实验用工件材料,直径为60mm,淬硬硬度为HRC5864.切削实验之前先用刀具去掉工件表面凸凹不平表层,然后再在小切深,小进给情形下进行一次精加工.1.3试验设计试验方法:正交试验法;试验因素:切削速度,进给量,切削深度口;因素水平:选用L,(4.)正交表安排切削试验,因素水平见表1,水平值覆盖了常用的切削参数.试验过程收集切屑并观察其形态.表1试验因素水平表Table1Tableofexp

9、erimentalfactor2试验结果2.1切削力与切削温度试验测得的切削力与切削温度详见表2.表2切削试验测得的切削力和切削温度Table2Cuttingforceandtemperaturemeasuredbycuttingexperiment试验号Fx(N)Fy(N)Fz(N)温度()111342.24804439111040122385.2401.2370.7950133391.2336.1284.3910144403.1292.9188.9900212134.1285.8239.4650221139322.7268700234106170.5119.16802431O0.1174.

10、416076031348.55159.2110.955032435.721l7.162.0252033155.98220.9138.568034244.25157.898.4567041413.4178.6441.9451042325.18160.564.970043223.54180.373.773044122.21192.280.98730对表2的数据进行同水平的值求平均值,得到切削速度,进给量,切削深度在不同的值时对试验考察的切削力的大小.切屑速度增加引起径向力F(N),切削力F(N)的略有降低,F(N)不是很明显.随着进给量厂的增加而引起切削力的增大,相对于F(N)来说,径向力F(N)

11、和切削力F(N)的变化趋势较明显,随着厂的增大而增大.随着切深n(ram)的增大会引起轴向力F(N),径向力F(N),切削力F(N)的增大.且FF,F与切深n.都几乎呈线性关系.如图3,4,5所示.随着切削速度的增加,切削温度几乎是线性增加.而随着进给量的增加,切削温度也接近线性升高.切削深度较小的时候温度变化不明显,在切削深度较大时温度急剧升高.如图6,7,8所示.17+轴向力O1234切削速度V(mls)图3切削速度对切削力的影响Fig.3Influenceofcuttingspeedoncuttingforce+轴向力R350300,250200要1501OO50OO0.050.10.1

12、50.20.25进给量(mm/r)向力主切削力图4进给量对切削力的影响Fig.4Influenceoffeedoncuttingforce+轴力力凡主切削OO.1O.2O.3O.4O.5切削深度(mm)图5切削深度对切削力的影响Fig.5Influenceofcuttingdepthoncuttingforcep一廷O1234切削速度(m/s)图6切削速度对切削温度影响Fig.6Influenceofcuttingspeedoncuttingtemperature18800750毳700650600O0.1O.2O.3进给量(mm/r)图7进给量对切削温度影响Fig.7Influenceoff

13、eedoncuttingtemperature100095090085080075070065060055000.10.20.30.40.5切削深度(1)图8切削深度对切削温度影响Fig.8Influenceofcuttingdepthoncuttingtemperature2.2切屑形态在试验的条件下,PeBN刀具切削淬硬高速钢的切屑的形态都是锯齿形的挤裂切屑.不同的条件下切屑的形态稍有区别,切削深度大的三角形状明显,切削深度小的三角形状不明显.典型的切屑形态如图9所示.3分析讨论3.1切削参数对切削力的影响分析图3结果表明:PeBN刀具切削淬硬高速钢时,随着切削速度提高,主切削力和径向切削

14、力都显示出降低的趋势,当切削速度较大时,切削力随切削速度提高而降低的趋势比较明显.其主要原因是,工件材料为淬硬高速钢,在加工过程中很难出现加工硬化的现象,提高切削速度时,切削功率增加,形成切削温度的升高的趋势,当切削速度达到一定值时,切削温度逐步升高并接近工件材料的软化温度,导致工件材料软化而硬度下降,弹,塑性压力都减小,同时切削温度的上升改善了刀,屑之间的摩擦变形,使这一区域的附加变形减小,切屑流出阻力下降.轴向切削力在切削速度为2m/s的时侯较大.在切削速度较高的时候,轴向切削力较低,这如同主切削力和径向力降低的原因一样,是工件材料软化造成的.在切削速度较低的时候,轴向切削力较低,这主要是

15、实验条件下,进给速度是以每转进给固定量计算的,切削速度较低时,以时间计算的进给速度也较低,因此低速下表现出轴向切削力随切削速度提高而增大的趋势.由0OOOOO他他鹋图9a切深O,4mm,速度2.33m/s,进给量0.1mm条什下的切屑图9c切深O.2mm,速度1.14m/s,进给餐0.15mm条件_卜的切屑背面图9e切深0.1mm,速度2.33m/s,进给量0_2mm条件下的切屑图9g切深O.1mm,速度1.7lm/s,进给苗O.05ram条,I:卜的切屑图9b切深O.2mm,速度1.14m/s,进给耸0.15mm条件卜的切屑图9d切深O.05mm,速度1.7lm/s,进给量0.1mm条件卜的

16、切屑图9f切深0.05mm,速度1.14m/s,进给鼙0.05mm条件卜的切屑图9h切深0.2mm,速度1.71m/s,进给昔0.15mm条件的切屑图9不同切削条件下PcBN刀具切削淬硬高速钢的切屑形态Fig.9ChipmorphologyofcuttinghardenedsteelwithPcBNcutterunderdifferentcuttingconditions19图3可见,在切削速度2m/s的时候,时间计算的进给速度增大导致的轴向切削力增大与工件材料软化形成的轴向切削力减小的幅度相当.在切削速度2m/s以上,工件材料软化形成的轴向切削力降低处于主导地位.实验中没有观察到普通切削中切

17、削力随切削速度增加呈波浪状的曲线,意味着它不像普通切削中出现明显的加工硬化,没有明显的在刀尖产生积屑瘤.进给量增大,切削厚度也增大,它与进给量的关系为:ac=fsink式中:a是切削厚度;f是进给量;k,是主偏角引.切削厚度增大,已加工表面与副切削刃接触长度变长,接触长度与切削厚度接近线性关系变化.刀具前刀面和副后刀面受到工件的弹性变形和塑性变形的抵抗力也变大,因此切削力的径向力和主切削力都增长.进给量增大,主切削刃长度没有增加,工件材料对主后刀面的作用力没有明显改变,轴向力的变化表现出与进给量大小几乎无关.3.2切削用量与切削温度的关系切削时所消耗的功几乎全部转化为热能.切削热的主要来源有:

18、(1)内摩擦热:在切削过程中,工件(在切削区)和切屑的弹,塑性变形产生的热.(2)外摩擦热:切屑与刀具前面,加工表面与刀具后面,已加工表面与刀具副后面之间摩擦所产生的热.热量主要产生于三个变形区4,如图1O所示.图1O切削热产生区域Fig.10Cuttingthermalproducingarea加工面切削热主要由切屑带走,有部分传到工件和刀具以及空气(冷却介质).切削热使工艺系统的温度升高,使刀具硬度降低,造成刀具很快摩损.显然切削温度随着切削速度和进给量增加而升高,切削深度对温度的影响最大,进给量对切削温度的影响最小.当切削深度很小的时候,切削温度并没有随切削深度减小而降低.在切削深度很小

19、时,径向2O力轴向力和主切削力都要大很多,在第三变形区产生的热量比例就会变得比较大,切屑不能把整部分热量有效的带走,导致切削区温度稍有升高.3.3切屑的形态与控制试验中产生挤裂切屑,意味工件材料没有得到足够的延展,这是硬态切削的一个显着特点,它的形成伴随着切削力各分量的波动,由于刃前区工件材料不断地受到刀具的挤压,作用在前刀面的切削力也是变化的.切削深度增大,切屑慢慢变成三角形,这是表现出在轴向上的挤裂.切削过程的温度相对普通车削来说很高,在切削区,切屑发软化并具有流动性,因此切屑的靠前刀面的一面表现出光滑的带状.由此形成了带状的底部和挤裂形成节状的顶部组成的切屑,具有绝热切削形成的锯齿切屑特点5.从以上分析知道:要获得较好的切屑从而减小切削力各分量的波动,首先要减小切削深度,减小切屑节状程度,其次减小切削进给量,以免形成三角形的节状切屑.4结论通过对不同切削条件下PcBN刀具硬态干式切削淬硬高速钢的切