PCBN 刀（dāo）具切削高溫合金鋸齒形（xíng）切屑形成機（jī）理-刀具網-數控機床市場（chǎng）網

您現在的位置：刀具網> 技術前沿>PCBN 刀具切削高溫合（hé）金鋸齒形（xíng）切屑（xiè）形成機理（lǐ）

PCBN 刀具切削高溫合金鋸齒形切屑形成機理

2016-10-21 來源（yuán）：哈爾濱理工大學機械動力工程學院作者：吳明陽趙旭計偉程耀楠劉利劉獻禮

摘要：高溫合金被廣泛的應用於航空（kōng）航天工業中，它是一種典型的（de）難加工材料，切削過程刀具磨損嚴重。PCBN 刀具作為一種超硬（yìng）刀具材料在加工高溫合金方麵具有較（jiào）大潛能，但由（yóu）於PCBN 刀具沒有斷屑槽，故斷屑困難。因此（cǐ）研究切削參數以及刀具磨損對切屑形成的影響規律對（duì）推（tuī）進PCBN 刀具的應用具有重要的意義。通過試驗研究切削參數和（hé）刀具磨損對切削力、切屑（xiè）宏觀狀態和切屑微觀參數(切屑剪切角、切屑厚度、齒高和齒間角)的（de）影響規律。試驗結果表明：當切削速度（dù）為97 m/min，切（qiē）削深度為0.1 mm，進給量為0.14 mm/r 時，切屑的宏觀狀態最佳。並根據（jù）試驗結（jié）果，確（què）定了絕熱剪切帶的位置和兩個切（qiē）屑鋸（jù）齒形成的關（guān）係（xì），進而（ér）建立了PCBN 刀具切削高溫合金GH4169 的鋸齒形切屑（xiè）的形成機理模型：當刀具運動到某一點開始出現絕熱剪（jiǎn）切帶，繼續運動到下一點，形（xíng）成一個鋸齒，繼續運動將出現下一個剪切失穩。

關（guān）鍵（jiàn）詞：切屑形成機（jī）理；GH4169；PCBN 刀（dāo）具；切削力；刀具磨損

0 .前言（yán）

為了應對更加（jiā）惡（è）劣（liè）的（de）工作環境，難加工材料的應用越來越多，高溫合（hé）金就是其中之一，尤其是（shì）鎳基高（gāo）溫合金，它廣泛的應用於航空航天（tiān）領域[1-2]。高溫合金是在600～1 200 ℃的溫度下仍然可以保（bǎo）持較好的高溫性（xìng）能，同時具有較好的機械性能。但高溫合金是（shì）一種典型的難加工（gōng）材料，現在加工高溫合金主要采用塗層硬質（zhì）合金[3-5]以及陶瓷刀具[6]，但這些（xiē）刀具（jù）材料都（dōu）沒有達到較好的（de）效果。因此，應考慮先進的刀具材料，例如聚晶立（lì）方氮化硼刀（dāo）具(PCBN)[7-9]，其在加工高溫合（hé）金方麵具有（yǒu）較大潛能，但是仍然存在很多問題：由於PCBN 刀具沒有（yǒu）斷屑槽，因此在（zài）切削過程中斷屑比較困難。

目前，切屑控製的研究主要集中在一般工件材料（liào）的宏觀微觀形態，例如切屑的（de）形（xíng）成、切屑的流動、切屑的（de）卷（juàn）曲等[10-12]，而對（duì）於PCBN 刀具（jù）切（qiē）削高溫合金切屑的研究較少。THAKUR 等[13]研究了幹式切削條件下（xià），切削參（cān）數（shù）與切屑厚度和刀-屑接觸（chù）長度，結果表明：切屑厚度隨切削速度增加（jiā）而增（zēng）加；而進給量是影響刀-屑接觸長度的主要因素，隨進給量的增加而增（zēng）加，隨切削速度增加而降低。KONG 等[14]利用有限（xiàn）元分析的方法研究了直角切削過程切屑形成機理，結果表（biǎo）明：刀具的（de）前角減小，易產生鋸齒形切屑，絕熱剪切現象更加明顯，因為（wéi）刀具前角（jiǎo）減小，主剪切區內剪應變增大，切削熱增多，切削溫度升高，切（qiē）屑變形程度增大。SIEMERS 等[15]研究（jiū）了（le）Alloy 625 中Ag 的含量對切屑形成的影響規律。Z?BALA 等[16]研究了兩種不同斷（duàn）屑槽刀片對加工Inconel 718 刀具性能。GüLLü等（děng）[17]設計Inconel718 加工用新型（xíng）斷屑（xiè）槽（cáo），並對比了（le）切屑的形狀。綜上所述，對PCBN 刀具高溫合金切削過程中，對切屑的微觀形態的研究較少，因此本文主要研究PCBN 刀具切削高溫（wēn）合金（jīn）鋸齒形切屑的微觀形態（tài）特征，考（kǎo）慮到（dào）切削力對切屑微觀形態的（de）作用，首先研究切削（xuē）參數對（duì）切削力的影響規律和切屑微觀形態參數的影響規律（lǜ）；然後，研究刀具磨損過程中切（qiē）削（xuē）力（lì）和（hé）切屑微（wēi）觀參數（shù）的變化規律，最（zuì）後建立PCBN 刀具切削GH4169 的鋸齒形切屑的形成機理模型（xíng）。

1. 鋸齒形切（qiē）屑（xiè）的形（xíng）成機理

鋸齒形切屑的（de）形成（chéng）原因主要有兩種（zhǒng）：絕熱剪切和周期性斷裂理論。目前（qián）采用絕熱剪切理論（lùn）更（gèng）加容（róng）易解釋切削（xuē）較低（dī）的熱（rè）導率的高溫合金材料產生的（de）鋸齒形切屑。KOMANDURI 等[18-19]最早提出（chū）絕熱剪切理論(Adiabatic shear theory, ASH)是鋸齒形切屑的形成的原因：剪切麵上的工件材料因高溫引起流動應力的下降大於應變硬化（huà）引起流（liú）動應力的升高而使剪切抗力下降，產生剪切失（shī）穩；剪切變形更加集中在發生剪切變形的剪切麵（miàn）上並進一步促使剪切麵剪切抗力下降（jiàng）；這兩個原因使得剪切變形越（yuè）來（lái）越高度集中在一個狹窄的（de）(絕熱)剪切帶上（shàng），進而形成鋸齒形切屑。TURLEY 等（děng）[20]在研究鈦合金切屑時（shí），發現鋸齒形（xíng）切（qiē）屑形（xíng）成的幾個階段：在（zài）切削速度方向（xiàng）材（cái）料（liào）出現微小裂紋，然後在剪切帶出現絕熱剪切失穩，形成絕熱剪切帶，最後形成鋸齒形（xíng）切屑。

KOMANDURI 等[21]在絕熱剪切理論的基礎上，試驗研（yán）究了切削速度在15.25～213.5 m/min 高溫合金Inconel 718 的（de）切屑形態，發現當切削速度高於61m/min 時出現了鋸齒形切屑。

硬態切削使用PCBN 或陶瓷刀具，鋸齒形切屑的形成與高（gāo）溫合金相似。DAVIES 等[22]建立了硬態切削鋸（jù）齒形切屑形成模型，如（rú）圖1 所示，當刀具切削刃運動到（dào）B′時，開始發生絕熱剪（jiǎn）切失穩。切削刃繼續運動到A 點時，熱軟化效應使得沿著BD 進一（yī）步變形所需的應（yīng）力降低，並且刀具在BE 的（de）應力迅速降（jiàng）低，同時，由於ABB′區域內的材（cái）料受到擠壓和剪切，刀具前（qián）刀麵AB 的載荷增大（dà）。切削刃處材料的熱-力狀態和AB 及BD 上的應（yīng）力對下（xià）一個（gè）鋸齒形切屑單元的形成起決定性作用（yòng）。如果切削速度明顯高（gāo）於鋸（jù）齒形成的臨界（jiè）切削速度，沿BD 傳遞的載荷就迅速降低至接近於零。由於（yú）剪切區的形成過程很快可視為絕熱，而剪切區前（qián）方的工件溫度基本上和周圍環境一致，因此下一個鋸齒的形成隻取決於AB上的壓力。此外，ELBESTAWI 等[23]研究了在硬態切削狀態（tài）下（xià）鋸齒形切屑（xiè）的形成機理，提出鋸齒形（xíng）切（qiē）屑的變形機理不是單（dān）純的剪切變（biàn）形過程，認為表麵能和應變能密（mì）度理論能夠更好地解釋裂紋的產生和發展。

圖1 鋸齒形切（qiē）屑形成模型

為了增加（jiā）PCBN 刀具切削刃的強度，常（cháng）常采（cǎi）用負倒棱切削刃。目前對鋸齒（chǐ）形切屑的形成機理研（yán）究不考慮切削刃的結構，對倒棱切削刃在切削高溫合金的（de）鋸齒形切屑形成的機理研究相對較少，因此（cǐ）本文主要研究倒棱刃PCBN 刀具切削高溫合金（jīn）的鋸齒（chǐ）形切屑的形成機（jī）理。

2 .切削高溫合金（jīn）切削力試驗

PCBN 刀具切削高溫合金切削力較大，並且徑向切削力最大，下麵試驗研究（jiū）切削參數對切削力的（de）影（yǐng）響規律。

2.1 試驗設備

圖2 為本文試驗裝置，其中試驗材（cái）料為高溫合（hé）金GH4169，試驗車床（chuáng）為CA6140，測力（lì）儀型（xíng）號為Kistler 9257B，為了降低切削溫度並（bìng）提高潤滑性采用微量潤滑(Minimal quantity lubrication, MQL)係[24]。試驗刀柄為PCLNR2525M12，95°主偏角，5° 軸向前角和?5° 徑（jìng）向前角；刀（dāo）片型號為CNGA120408，0.2 mm 倒（dǎo）棱寬度，15°倒棱（léng）角度；PCBN 刀具材料為BZN6000，90%的CBN 含量，2μm 粒度以及Co、Al、Si 基結合劑（jì）。

圖2 試驗裝置設置

2.2 試驗方法

采（cǎi）用單因素試驗參數（shù）主要包（bāo）括切削速度v、切削深度（dù）ap、進（jìn）給量f，其具體參數如表1 所示。

表1 單因素試驗參數表

2.3 試驗結果與討（tǎo）論

圖3 為切削（xuē）速度（dù）對3 向切削力影響規律，其中Fx 為切削力在進給方向上的分力Fy 為工件徑向的分力（lì），Fz 為切削速度方向上的切削分力，Fy 為最大，Fz 次之，而Fx 最小，是因為PCBN 刀（dāo）具的負倒棱切（qiē）削刃結構（gòu）使得在切削過程中擠壓被加工表麵生產的結果。觀察圖3 可知，切削（xuē）速度增加，切削力Fx、Fy 和Fz 變（biàn）化有降低的趨（qū）勢(除去圖中箭頭所指的（de）點)，但是並不明顯。

圖3 切削速度對3 向切削力（lì）的影響規律

圖（tú）4 為切削深度對3 向切削力Fx、Fy 和Fz 的影響規律。隨著切削深度增加，3 向切削力（lì）Fx、Fy 和Fz 增加（jiā），其中（zhōng）Fy 最大，Fx 次之，而Fz 最小。切削深度增加使（shǐ）材料去除率明顯增加，因此切削力明顯增加。

圖5 為進（jìn）給量對3 向切削力（lì）Fx、Fy 和（hé）Fz 的影響規律，隨（suí）進給量的增加，Fy 和Fz 增加，而Fx 有降低趨勢，其中Fy 最大，Fx 次之，而Fz 最小。Fx為進給方向上的切削力（lì），當（dāng）進給（gěi）速度增加時，高溫合金材料變形的時間（jiān）降低，因此進給方（fāng）向上的（de）切削（xuē）力降低。

圖4 切削深度對切削力的影響規律（lǜ）

圖5 進給量對切削力的影響規律

試驗結果表明：PCBN 刀具切削高溫合金過（guò）程中徑向切（qiē）削力Fy 明顯大於（yú）其他兩向切削力。並且切削深度對切（qiē）削（xuē）力的（de）影響最大。

3 .切屑鋸齒微（wēi）觀參數試（shì）驗

試驗設備（bèi）和試驗方法與第2.1 節（jiē）相（xiàng）同，這裏采用KEYENCE VHX-1000E 超景深顯微鏡觀察並測量切屑微觀形態。圖6 所示PCBN 刀具切（qiē）削GH4169產生的切屑，本文（wén）采用（yòng）切屑剪切角λ、切屑厚度Hc、齒（chǐ）間角At、齒高Ht 描述切屑的微觀形態。試驗中發現所有（yǒu）切削參數下的切屑剪切角λ都在43°～48°之間，因此剪切角與切削參數無（wú）關，因此下麵研究切削（xuē）參數對其他切屑參（cān）數的關係。

圖6 切屑微觀參數示意圖

3.1 切削速度對切屑微觀參數（shù）的影響

圖7 為切削速度對（duì）切（qiē）屑微觀（guān）參數的影響規律圖，其中圖7a、圖7b 和圖7c 分別為切削速度對切屑厚度Hc、齒高Ht 和齒間距Lc 的影響規律，圖7d～圖7h 分別為切削速度為97 m/min、121 m/min136m/min、151 m/min、214 m/min 時切屑的宏觀形態。圖7a～7c 表明：當切削速度增（zēng）加時，切屑厚度和切屑齒高總體（tǐ）下降趨勢，但是由於測量誤差齒厚的數值變化（huà）較大；齒間角Ac 呈現出平（píng）緩的上（shàng）升（shēng）趨勢，並且（qiě）其表麵範圍50～70°之間變化。

圖（tú）7 切（qiē）削速度對切屑微觀參數的影響規律

圖7d～7h 表明當切削速度為97 m/min 時，切屑的宏觀狀態最好，而隨著切削（xuē）速度增加，切屑的（de）宏觀狀態變得越來越差。

3.2 切削深度對切屑微觀參（cān）數的影響

圖8 為切削深度對切屑微觀及宏觀狀態的影響規律，其中圖（tú）8a、圖8b 和圖8c 分別為切削深（shēn）度對切屑（xiè）厚度Hc、齒高Ht 齒間距Lc 的影響規律，圖8d～8h 分別為切削深度為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4mm、0.6 mm 時的切屑宏觀（guān）狀態。從（cóng）圖中8a～8c 可知切屑厚度和切屑齒高都升高；隨著切削深度增加(直至0.4 mm)，齒間角變化趨（qū）勢平穩；當切削（xuē）深（shēn）度為0.5 mm 時，齒間角（jiǎo）急劇（jù）下（xià）降；當（dāng）切削深度為0.6mm 時，齒間角又略有（yǒu）上升。

從圖8d～8h 的形態可知，當切削深度為（wéi）0.1 mm時，切屑的宏觀狀態最佳；當切削深度為0.3 時，切屑狀態最差；切削深（shēn）度繼續增加切屑狀態有所改（gǎi）善。

圖8 切削深度對切屑微觀參數的影響規律

3.3 進給量對切屑微觀參數的影響規律

圖9 為進給量（liàng）對切屑微觀及宏觀狀態的影響規律，其中圖9a、圖9b 和圖9c 分別為進給量f 對切屑厚度Hc、齒（chǐ）高Ht 齒間距Lc 的影響規律，圖9d～圖9g 分別為進給量為0.11 mm/r、0.14 mm/r、0.16mm/r、0.18 mm/r、0.20 mm/r 時的切屑宏觀狀態。從（cóng）圖中（zhōng）9a～9c 可知，隨著進（jìn）給量增加，切屑厚度有升高的趨勢，而齒高先增大（dà），當進給量達到（dào）0.14mm/r 時（shí），齒高有降低。齒間角隨著進給量增加的變化規律不明顯，且在50°和60°之間。圖（tú）9d～9h 上切屑的宏觀形態可知，當進給（gěi）量（liàng）f=0.16 mm/r 時（shí），切屑狀態相對較好，而在（zài）其他的（de）參數下（xià），切屑狀態較差。

圖9 進給量對切屑微觀參數的影響規律

4 .刀具磨損對切屑（xiè）參數影響（xiǎng）

PCBN 刀具沒有槽型，刀具磨（mó）損也是影響切（qiē）屑控製的（de）因素之一，因此有（yǒu）必要研（yán）究刀具磨損（sǔn）與切屑微觀（guān）形態參數的關係。因此采用與上文相同的（de）試驗係統，並選擇（zé）刀具磨損試驗的切削（xuē）參數：v = 121m/min，f = 0.14 mm/r，ap = 0.15mm。切屑剪切角λ的試驗結果與切削（xuē）參數試驗結果相似，絕大多數數值集中在43°～48°之間。

4.1 刀具磨（mó）損形態

目前，PCBN 主要應用於鑄鐵和淬硬鋼加工[25]，其刀（dāo）具磨損形式主要（yào）是前刀麵月牙窪磨損和（hé）後刀麵磨損。圖（tú）10 為切削GH4169 用PCBN 刀具前（qián）刀麵的磨損形式，圖10aPCBN 刀片（piàn）前刀麵，圖10b 和圖10c 為刀尖主切削刃處磨損形態圖片以及SEM圖，圖10d 為（wéi）切削（xuē）區域外刀具磨損，圖10e、圖10f和圖（tú）10h 為PCBN 副切（qiē）削刃微崩刃（rèn）圖片和SEM 圖。PCBN 前（qián）刀麵主要磨（mó）損形式為副切削刃微崩刃，而微崩刃的度量比較困難，故采用後刀麵磨損VB度量。

圖10 PCBN 刀具車削GH4169 磨損形式

4.2 刀具磨損對切削力影響

圖11 a 為PCBN 刀具後刀麵磨損VB 對切削力Fx、Fy 和Fz 的影響規（guī）律，圖11b～11f 分別為PCBN刀具磨損VB =20 μm、109 μm、151 μm、215 μm、231 μm 時的刀具後刀麵磨損形態。在刀具磨損過程中刀具VB?109 μm 時切削力較低；而當VB>109 μm時，切削力（lì）較高（gāo）；當VB?200 μm，切削力穩（wěn）定性較（jiào）低。刀具後刀（dāo）麵在初期為磨損狀態，如圖11 b 、11c 所（suǒ）示；當進入穩定磨損期後，刀具有出現微崩刃，如圖11 d～11f 所（suǒ）示。

圖11 PCBN 刀（dāo）具磨損量VB 對切削力的影響（xiǎng）規律

4.3 刀（dāo）具磨損對切屑微觀形態的影響規律

圖12 為（wéi）刀具磨損量VB 對切屑微觀參數的影響規律，其中圖12 分別為磨損量VB 對切屑厚度Hc、齒高Ht 齒間距Lc 的影（yǐng）響規律。圖12 表明：隨著磨損量VB 增加（jiā），切屑厚度呈現（xiàn）先降低後升高的趨（qū）勢，但其數值變化（huà）不大，在120～160 μm 之間；切屑齒高變（biàn）化趨勢與（yǔ）切屑厚度相似，齒間距有增加趨勢，先降低而後升高，數值變化較小，絕大多數在40～60 μm 之間；齒間角在55° ～ 70°之間變化，當VB?200 μm 時，齒間角在55°到70°，而當VB 超過200μm，齒間角降低到50°到60°。

圖12 PCBN 刀具磨損量VB 對切屑（xiè）微觀參數的影響規律

5. PCBN刀具切削高溫合金鋸齒形

切屑的形成模型PCBN 刀具切削高溫合（hé）金鋸齒形切屑形（xíng）成機理模（mó）型要以（yǐ）絕熱剪切理論為基礎，並結合TURLEY等[20]建立的切屑形成模型，充分考慮PCBN 刀具切削（xuē）刃（rèn）的倒棱結構在（zài）切削過程的作用（yòng）。首先確定剪切帶的位置。

圖13 為PCBN 切削（xuē）高溫合金鋸（jù）齒（chǐ）形切屑斷屑模型（xíng），使用普通刀具切削（xuē）時，認為（wéi）絕熱剪（jiǎn）切帶為（wéi）AE[18-20]，及絕熱（rè）剪切帶的斷裂熱從刀尖位置開（kāi）始。對於普通刀具其切向力大於徑向力，A 點為應（yīng）力集中，因此斷裂點從A 點開始，A 點受拉應力。而PCBN刀具切削過程中徑向力遠大於切向力，因此AA1A2區域的受力狀態有所不同，徑向的擠壓力(A1A2 方向)大於切向力(AA2 方（fāng）向)，而（ér）且A 點處由於刀具與工件（jiàn）劇烈摩擦而溫度較高，因此斷（duàn）裂點可能出現AA1 麵的一點(D 點)，並且是由壓應力導（dǎo）致的斷裂，即（jí）MN以下部分將成（chéng）為工件被加工表麵的一部分。綜上，PCBN 刀具刀尖到A 點時，在DE 上（shàng）出現絕熱剪切裂紋，發生剪切失穩

圖13 PCBN 刀具切削高溫（wēn）合金（jīn）鋸（jù）齒形切屑形成機理

出現剪切失穩後，DE 上麵（miàn）的材料向切屑中流動，DE 下麵的（de）材料向工件表麵（miàn）流動，直到刀尖運動到B 點，進而形成鋸齒形切屑。而（ér）此（cǐ）時的（de）問題在於發生下一個剪切失穩（wěn）的（de）位置，有三種情況：① 發生在B 點前C 點(圖13)，即，在前一個切削沒有完全形成前，出現下一個剪切失穩帶；② 發生在B點，即，在（zài）前一個切（qiē）削沒有完全形成時，出現下一（yī）個剪切（qiē）失穩帶；③ 發生在B 點後C′點(圖（tú）13)，即，在前一個切削沒有完全形成後，出現下一個剪切失穩帶（dài）。

可通過比較圖13 中AB 與E′F 的大小可（kě）確定下一（yī）個剪切失穩的位置。E′F 來源於工件待加工表麵，因此如果E′F>AB 則表明C′為下一個剪切失穩點；如果E′F=AB 則表明B 為（wéi）下一個（gè）剪切失穩點；如果（guǒ）E′F<AB 則表明C 為下一個剪切失穩點。E′F 和AB 可通過切（qiē）屑的微觀參數求得，E′F 的長度L 為（wéi）

根據切削區域幾（jǐ）何關係，可知AB 的長度LAB 為

式（shì）中，LDQ 為DQ 的（de）長度；LGE 為（wéi）GE 的長度；LB′G′為B′G'的長度。

根據（jù）切削深度（dù）即可計算LDQ

式（shì）中，Δ為擠壓在工（gōng）件表麵材料厚度，ap 為切削深度。

根據刀（dāo）具和切屑幾何參數，即可計算LGE

式中，γ為PCBN 刀具前角。根（gēn）據刀具幾何參數和切削深度，即可計算出LB′G′

6. 結論

(1) 當切（qiē）削速（sù）度（dù）增加（jiā），切削力略微降（jiàng）低；當切削深度增加時，切削力明顯增（zēng）加；當進給量增加，切削力增加(除進給方向外)；刀（dāo）具後刀麵磨損VB 增加，切削力有增加趨勢。

(2) 切削區域剪切角與切削參數和刀具磨（mó）損狀態無關，

；當切削速度增加，切屑厚度（dù）和齒（chǐ）高（gāo）降低，齒間角（jiǎo）增大；當切削深度增加時，切（qiē）屑厚度和齒高明顯升高，齒間（jiān）角（jiǎo）降低；當進給量增加，切屑厚（hòu）度（dù）有所增大，而齒高先增（zēng）大後降低，齒間角變化（huà）不明顯；刀具後刀麵磨損VB 增加，切屑厚度和齒高先減小後（hòu）增大，齒間角總體降低。

(3) 當切削速度為97 m/min，切削深度0.1 mm，進給量為0.14 mm/r 時，切屑的宏觀狀（zhuàng）態（tài）最好。

(4) PCBN 刀具切削高溫合金絕熱剪切帶從刀具倒棱麵（miàn）的某個點開（kāi）始，而（ér）不是刀尖位置（zhì）；鋸齒形切（qiē）屑的形成過程：當刀具運動到某一點開始出（chū）現絕熱剪切帶，發生剪切失穩；繼續運動到下（xià）一點，形成一個鋸齒；繼續（xù）移動一段（duàn）距離，將會出現下一次剪切失穩。

投（tóu）稿箱：
如果您有機（jī）床行業（yè）、企業（yè）相關新聞稿件發表，或（huò）進（jìn）行資訊合作，歡（huān）迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相（xiàng）關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多