PCBN刀具銑削淬火鋼時(shí)切削用量的選擇

 
    PCBN的硬度僅次于金剛石，對鐵族元素具有高化學(xué)惰性，因此，PCBN刀具非常適合于淬火鋼和淬火鑄鐵的切削加工。但由于其抗彎強(qiáng)度和抗沖擊性能較差，在進(jìn)行斷續(xù)切削時(shí)，選擇合適的切削用量，對于防止刀具破損，提高刀具壽命具有非常重要的意義。本文采用角正交回歸試驗(yàn)法和單因素試驗(yàn)法，研究PCBN立銑刀精密銑削Cr12MoV等淬火鋼材料時(shí)切削用量對刀具壽命的影響規(guī)律，以期為使用者提供一些選用該類刀具的參考數(shù)據(jù)。 

    1.試驗(yàn)條件 

    工件材料：Cr12MoV和45鋼，淬火回火硬度分 
    別為59-61HRC和50-53HRC；試驗(yàn)設(shè)備：X53K
    立式銑床；加工方式：采用PCBN可轉(zhuǎn)位圓刀片單
    齒銑削；刀具幾何參數(shù)：go=-10°，a=10°，ls=15°，刀片直徑f14mm。 

    2.T-V關(guān)系試驗(yàn)

圖1 T-V關(guān)系曲線

 

    基于淬火鋼高溫軟化切削機(jī)理，選擇合適的切削速度十分重要，它可在切削區(qū)形成一定的切削溫度，從而降低切削力，防止刀具破損，提高刀具壽命。本文采用單因素試驗(yàn)法進(jìn)行T（刀具壽命）-V（切削速度）關(guān)系試驗(yàn)。 

    T-V試驗(yàn)的切削條件：ap=0.1mm，af=0.1mm/Z 
    ，工件材料Cr12MoV，刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn) VBmax 
    =0.3mm。切削速度V分為四檔： 132.8m/min， 169.6 
    m/min， 212.0m/min，268.5m/min。T-V關(guān)系曲線 
    如圖1所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)V<169.6m/min 
    時(shí)，T隨V的升高而增大；當(dāng)V>169.6m/min時(shí)，T 
    隨V的升高而減小，此時(shí)T-V關(guān)系符合泰勒公式， 
    經(jīng)回歸處理，T=e7.489V-1.028 

    3. T-f(V, ap, af)關(guān)系試驗(yàn) 


    為了減少試驗(yàn)工作量，本文采用陳章燕所著《研究切削過程的新方法》(載于北京工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)1989年第6期)推薦的 角正交回歸試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，各切 削用量分別為：V1=169.6m/min，V2=268.5m/min，ap1=0.05mm，ap2=0.15mm，af1=0.08mm/Z，af2=0.15mm/Z。試驗(yàn)結(jié)果如表1及圖2所示。 

圖2 T-f(V, ap, af)試驗(yàn)點(diǎn)磨損曲線

 

    表1 刀具壽命的數(shù)據(jù)編碼資料 
    序號(hào) 切削用量 刀具壽命 水平編碼

ap
(mm) af
(mm/Z) V
(m/min) T
(min) ey Yi b0 b1 b2 b3

1 0.05 0.08 169.6 11.2 2.416 Y1 +1 -1 -1 -1

2 0.15 0.15 169.6 3.6 1.281 Y2 +1 +1 +1 -1

3 0.05 0.08 268.5 4.0 1.386 Y3 +1 +1 -1 -1

4 0.05 0.15 268.5 2.9 1.065 Y4 +1 -1 +1 +1 


    采用《研究切削過程的新方法》介紹的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，經(jīng)處理后得到的刀具壽命公式為 

    T=e5.662V-1.358af-1.158ap-0.371 

圖3 刀具磨損曲線

 

    4. 試驗(yàn)結(jié)果分析 


    從試驗(yàn)所得的刀具壽命公式來看，在切削用量諸因素中，銑削速度V對刀具壽命影響最大，進(jìn)給量af次之，銑削深度ap的影響最小。因此，在使用PCBN刀具端銑淬火鋼材料時(shí)，首先可選用稍大的銑削深度，但銑削深度的增加將使切削力明顯增大，從而引起整個(gè)工藝系統(tǒng)振動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致刀具破損，因此銑削深度也不宜過大，本文推薦選用ap=0.05-0.2mm。如果工件材料的硬度和強(qiáng)度較低，機(jī)床剛性較好，ap值可取上限。 

    在用PCBN刀具銑削淬火鋼材料的端面時(shí)，應(yīng)注意進(jìn)給量的選擇，進(jìn)給量選擇不當(dāng)是引起刀具破損的主要原因之一。對于<55HRC的淬火鋼，推薦使用af=0.1-0.4mm/Z；對于>60HRC的淬火鋼，推薦使用af=0.05-0.12mm/Z。 

    從圖1可看出，用PCBN刀具銑削淬火鋼時(shí)，切削速度存在一個(gè)下限，低于此下限，刀具將出現(xiàn)早期破損或壽命急劇下降。加工不同工件材料時(shí)，切削速度的下限值各不相同。一般說來，高合金鋼（模具鋼、高速鋼等）在切削區(qū)發(fā)生高溫軟化的溫度較低，低合金鋼或普通碳素鋼則較高。因此，加工高合金鋼時(shí)，切削速度的下限值也相應(yīng)高一些，本文推薦選用V=150-200m/min；加工低合金鋼和碳素工具鋼時(shí)，推薦選用V=100-200m/min。 

    作者對前述結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。工件材料為45鋼，硬度50-53HRC，切削用量：    V=132.8m/min，af=0.32mm/Z，ap=0.1mm，刀具磨損曲線
如圖)所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)VBmax=0.3mm時(shí)，T=39min，可見用PCBN刀具銑削淬火鋼端面時(shí)，只要切削用量和刀具幾何參數(shù)選擇恰當(dāng)，即可獲得比較滿意的效果。

    5 刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 


    PCBN刀具銑削淬火鋼時(shí)，磨損主要發(fā)生在后刀面上，前刀面的磨損相對較小，因此，刀具磨鈍一般以后刀面最大磨損量VBmax 作為標(biāo)準(zhǔn)。從圖3可知，當(dāng) VBmax>0.3mm時(shí)，刀具磨損速度顯著加快；當(dāng)VBmax≈0.25mm時(shí)，加工表面粗糙度開始變得不穩(wěn)定(見圖4)。綜合考慮刀具壽命、加工表面粗糙度、刀片重磨的 方便性和使用的經(jīng)濟(jì)性等因素，本文推薦PCBN刀具銑削淬火鋼時(shí)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VBmax=0.25-0.3mm。 

   

圖4 VBmax對Ra的影響

 

    6 結(jié)論 


    (1)用PCBN刀具切削淬火鋼的生產(chǎn)效率大大高于磨削加工，在本試驗(yàn)中，加工表面粗糙度均在Ra0.3-0.9µm之間，與磨削表面近似。因此，采用PCBN刀具加工淬火鋼，完全可實(shí)現(xiàn)“以銑代磨”。 

    (2)在切削用量各因素中，銑削速度對刀具壽命
的影響最大，進(jìn)給量次之，銑削深度影響最小。 

    (3)加工硬度和強(qiáng)度較低的淬火鋼(<55HRC，sb<180kgf/mm²) 
    ，本文推薦如下銑削用量：V=100-200m/min 
    ，ap=0.05-0.2mm，af=0.1-0.4mm；加工中等硬度、較高強(qiáng)度的淬火鋼(>60HRC，        sb>200kgf/mm²)，本文推薦的銑削用量為：V=150-200m/min 
    ，ap=0.05-0.2mm，af=0.05-0.12mm。 

    (4)推薦以VBmax=0.25-0.3mm作為PCBN刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)淬火鋼硬度較低而工藝系統(tǒng)剛性較好時(shí)，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取上限。