PCBN刀具硬车削T10钢工件表面质量研究

李庆华，潘 晨

(长春大学机械与车辆工程学院，长春130022)

PCBN刀具硬车削T10钢工件表面质量研究

李庆华，潘 晨

(长春大学机械与车辆工程学院，长春130022)

针对目前车削硬脆性材料的加工状况和采用车削刀具的实际情况，本文利用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具，车削一定硬度的T10轴类零件，采集车削过程中的相关数据库，进行分析正交试验，分析切削过程中切削速度、进给量对零件表面粗糙度的影响。结果表明:切削速度对表面粗糙度影响较大，进给量次之。工件表面粗糙度随着切削速度的升高而降低；同一切削速度下，较小的进给量对表面质量影响较明显，依据试验结果对切削参数进行优化为实际生产加工提供理论依据。

PCBN刀具；表面粗糙度；切削参数；切削速度；进给量

0 引言

聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN)是由一定比例的CBN颗粒和金属粘结剂或陶瓷粘结剂在高温高压下合成的一种无机材料[1－2]。近几年，在PCBN刀具硬车削应用中，国内外的学者开始研究使用PCBN刀具车削加工后的工件表面质量。高世龙、安立宝等[3]使用CBN刀具车削淬硬钢Cr12MoV，利用正交试验法研究了切削用量三要素对表面粗糙度的影响，研究发现，切削速度对表面粗糙度的影响最显著，进给量其次，背吃刀量最小。H.H.Habeeb等[4]在用CBN刀具干式切削镍合金242试验中研究发现，工件表面粗糙度在0.052~0.08微米范围内，增加切削速度表面质量将会变光滑，增加进给量和背吃刀量工件表面会变得更加粗糙。陈涛，刘献礼等[5]在使用PCBN刀具硬车削淬硬钢GCr15试验中发现，影响表面质量的最主要因素是进给量，其次是刀尖圆弧半径，切削速度对表面粗糙度有一定影响，背吃刀量对表面质量影响较小。

由于PCBN刀具具有高硬度、热稳定性、良好的导热性、较好的耐磨性、红硬性和较高的化学惰性等[6－8]优良的切削性能，已经被广泛应用于硬车削加工中。本文通过设计正交试验，研究切削速度、进给量对T10材料的表面粗糙度的影响，并对切削用量进行优化，在试验数据范围内制定合理的切削参数。

1 正交试验

1.1 试验条件

本研究所使用的PCBN刀具来自河南富耐克超硬材料有限公司，如图1所示，该PCBN刀具适合粗、精加工高硬度合金材料，耐磨损性能优异。

图1 PCBN刀具

正交试验中所使用的工件材料是硬度为HRC53的T10钢，工件的长度均为14cm，直径均为5cm的轴件，工件有三个。

1.2 试验参数及方法

本次试验中，将切削用量三要素中的背吃刀量ap设为固定值，根据以往的加工参数经验，背吃刀量ap的范围为0.1~0.4mm，故背吃刀量取ap＝0.2mm。通过改变单一变量切削速度vc、进给量f进行硬车削试验，切削用量参数如表1所示。

表1 试验切削用量参数

在进行正交试验之前，先将T10工件在数控车床作去表皮处理，然后分别以切削速度vc＝200、400、600、800、1000r/min在工件上切削五段进行分析比较，如图2所示。

图2 分段切削后的T10工件

2 试验结果与分析

按照所设计的正交试验法进行切削加工T10工件，并在WYKO N7910光学轮廓仪上检测表面粗糙度，得到了车削后的T10表面粗糙度数据，如表2所示。

表2 T10工件表面粗糙度值

进给量(μm/r)转速(r/min) 10 20 30 400 0.826 0.568 0.608 600 0.857 0.565 0.595 800 0.732 0.552 0.544 1000 0.625 0.555 0.525

根据表2列出的粗糙度试验数据，在数据处理软件上对其进行分析，得到表面粗糙度与切削速度、进给量之间的关系曲线，如图3所示。

图3 试验后T10表面粗糙度与切削速度、进给量之间的关系曲线

从图3中曲线走向分析可知:在试验设定的切削参数范围内，T10表面粗糙度与切削速度成反比，即切削速度越高，T10表面质量越好。当进给量f＝20μm/r时，T10表面粗糙度值随切削速度的升高明显降低；当进给量f＝10μm/r时，发现切削速度vc＝600r/min时表面粗糙度值是Ra＝0.857μm，切削速度vc＝400r/min时表面粗糙度值是Ra＝0.826μm，粗糙度值随着切削速度的增加而略微增加，由于二者相差0.031μm，在试验允许误差范围内，仍认为符合试验结论，即切削速度越高，T10表面质量越好；当进给量f＝30μm/r时，切削速度vc＝200r/min时表面粗糙度是Ra＝0.567μm，切削速度vc＝400r/min，vc＝600r/min时，T10的表面粗糙度值均大于vc＝200r/min的粗糙度值，表面粗糙度随着切削速度的增加先升高再降低。经研究分析认为，由于PCBN刀具在试验过程中进行连续切削，出现了磨损情况。在切削速度达到vc＝400r/min时刀具进入了初期磨损阶段，刀具开始发生磨损，这时产生的切削力突然增大，刀具与工件之间发生振动，导致表面质量粗糙。切削速度达到vc＝600r/min后，刀具进入正常磨损阶段，工件表面粗糙度开始减小。由此可知，在切削速度为vc＝400r/min，vc＝600r/min时，理论上表面质量应该优于vc＝200r/min的表面质量。

从图3可以看出，在相同的切削速度下，增加进给量，表面粗糙度反而降低。当进给量f＝10μm/r增加到f＝20μm/r时，T10表面粗糙度明显降低，而当进给量从f＝20μm/r增加到f＝30μm/r时，粗糙度变化不再明显。由此可以得出，在切削速度相同的条件下，相应的增加进给量，能获得良好的表面质量，但是，当进给量增加到一定数值时，对T10的表面质量影响不再明显。

3 结语

本文通过使用PCBN刀具车削硬度为HRC53的T10工件，并对其车削表面质量进行了分析研究，结果表明:在试验设定的切削数据范围内，随着切削速度的增加，工件表面粗糙度降低；增加进给量，表面粗糙度也降低，当进给量增加到一定数值后，对表面质量的影响不再明显，进而得出切削速度对T10表面质量的影响比进给量大。

[1] 赵兴利.新型聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具材料研制及其切削机理研究[D].济南:山东大学，2011.

[2] 李重阳.立方氮化硼的性能和应用[J].科技视界，2014(15):73－74.

[3] 高世龙，安立宝，李晨辉，等.CBN刀具车削淬硬钢表面粗糙度的试验与预测[J].现代制造工程，制造技术/工艺装备，2015(10):102－105.

[4] H H Habeed，K Kadirgama，M M Noor，et al.Machining of Nickel Alloy 242 with Cubic Boron Nitride Tools[J].Journal of Ap-plied Sciences，2010，10(19):2322－2327.

[5] 陈涛，刘献礼.PCBN刀具硬态切削淬硬轴承钢GCr15表面粗糙度试验与预测[J].中国机械工程，2007，18(24):2973－2975.

[6] 刘薇娜，鞠岩松，杨立峰.立方氮化硼刀具在切削加工中的应用[J].机械工程师，2014(10):41－42.

[7] 刘献礼，肖露，严复钢，等.PCBN刀具的发展性能及应用[J].现代制造工程，2002(1):37－39.

[8] 张奎，张相法，王光祖.立方氮化硼在现代加工技术中的地位和作用[J].超硬刀具材料，2013(2):47－52.

[9] 董升涛，胡军，李庆达.深松铲尖等离子堆焊涂层组织结构及性能研究[J].黑龙江八一农垦大学学报，2016(4):85－87.

[10] 张吉军，田乃浩，林南南，等.大型筒件内环面车削用刀具的设计及评价分析[J].黑龙江八一农垦大学学报，2013(5):13－16.

责任编辑:程艳艳

Research on Surface Quality of Hard Turning T10 SteelW orkpiece w ith PCBN Cutting Tool

LIQinghua，PAN Chen
(College of Machinery and Vehicle Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

In view of themachining situation of hard－brittlematerials and the actual condition of the cutting tools，this experiment uses polycrystalline cubic boron nitride(PCBN)tool to turn T10 workpiece with certain hardness，during which the relevant data is collected to carry out orthogonal trial.The effects of cutting speed and feed rate on surface roughness are analyzed.The results show that the cutting speed has a greater influence on the surface rough-ness than feed rate.The workpiece surface roughness decreaseswith the increase of cutting speed；under the same cutting speed，the smaller feed rate has a obvious influence on the surface quality.The cutting parameters are opti-mized based on the trial result，hoping to provide the theoretical basis for the actual production and manufacture.

PCBN tool；surface roughness；cutting parameter；cutting speed；feed rate

TG506

A

1009－3907(2017)06－0001－03

2017－04－16

长春市科技局重大科技攻关计划项目(2013JBA01L03)

李庆华(1968－)，男，吉林蛟河人，教授，博士，硕士研究生导师，主要从事机械制造及自动化方面研究。