PCBN刀具铣削淬火钢时切削用量的选择

PCBN的硬度仅次于金刚石，对铁族元素具有高化学惰性，因此，PCBN刀具非常适合于淬火钢和淬火铸铁的切削加工。但由于其抗弯强度和抗冲击性能较差，在进行断续切削时，选择合适的切削用量，对于防止刀具破损，提高刀具寿命具有非常重要的意义。本文采用角正交回归试验法和单因素试验法，研究PCBN立铣刀精密铣削Cr12MoV等淬火钢材料时切削用量对刀具寿命的影响规律，以期为使用者提供一些选用该类刀具的参考数据。

1.试验条件

工件材料：Cr12MoV和45钢，淬火回火硬度分别为59-61HRC和50-53HRC；试验设备：X53K
立式铣床；加工方式：采用PCBN可转位圆刀片单
齿铣削；刀具几何参数：go=-10°，a=10°，ls=15°，刀片直径f14mm。

2.T-V关系试验

图1 T-V关系曲线

基于淬火钢高温软化切削机理，选择合适的切削速度十分重要，它可在切削区形成一定的切削温度，从而降低切削力，防止刀具破损，提高刀具寿命。本文采用单因素试验法进行T（刀具寿命）-V（切削速度）关系试验。

T-V试验的切削条件：ap=0.1mm，af=0.1mm/Z，工件材料Cr12MoV，刀具磨钝标准 VBmax=0.3mm。切削速度V分为四档： 132.8m/min， 169.6m/min， 212.0m/min，268.5m/min。T-V关系曲线如图1所示。由试验结果可知，当V<169.6m/min时，T随V的升高而增大；当V>169.6m/min时，T随V的升高而减小，此时T-V关系符合泰勒公式，经回归处理，T=e7.489V-1.028

3. T-f(V, ap, af)关系试验

为了减少试验工作量，本文采用陈章燕所著《研究切削过程的新方法》(载于北京工业学院学报1989年第6期)推荐的角正交回归试验法进行试验设计和数据处理，各切削用量分别为：V1=169.6m/min，V2=268.5m/min，ap1=0.05mm，ap2=0.15mm，af1=0.08mm/Z，af2=0.15mm/Z。试验结果如表1及图2所示。

 
表1 刀具寿命的数据编码资料

图2 T-f(V, ap, af)试验点磨损曲线

采用《研究切削过程的新方法》介绍的试验数据处理方法，经处理后得到的刀具寿命公式为

图3 刀具磨损曲线

4. 试验结果分析

从试验所得的刀具寿命公式来看，在切削用量诸因素中，铣削速度V对刀具寿命影响最大，进给量af次之，铣削深度ap的影响最小。因此，在使用PCBN刀具端铣淬火钢材料时，首先可选用稍大的铣削深度，但铣削深度的增加将使切削力明显增大，从而引起整个工艺系统振动加剧，严重时可导致刀具破损，因此铣削深度也不宜过大，本文推荐选用ap=0.05-0.2mm。如果工件材料的硬度和强度较低，机床刚性较好，ap值可取上限。

在用PCBN刀具铣削淬火钢材料的端面时，应注意进给量的选择，进给量选择不当是引起刀具破损的主要原因之一。对于<55HRC的淬火钢，推荐使用af=0.1-0.4mm/Z；对于>60HRC的淬火钢，推荐使用af=0.05-0.12mm/Z。

从图1可看出，用PCBN刀具铣削淬火钢时，切削速度存在一个下限，低于此下限，刀具将出现早期破损或寿命急剧下降。加工不同工件材料时，切削速度的下限值各不相同。一般说来，高合金钢（模具钢、高速钢等）在切削区发生高温软化的温度较低，低合金钢或普通碳素钢则较高。因此，加工高合金钢时，切削速度的下限值也相应高一些，本文推荐选用V=150-200m/min；加工低合金钢和碳素工具钢时，推荐选用V=100-200m/min。

作者对前述结果进行了验证性试验。工件材料为45钢，硬度50-53HRC，切削用量：V=132.8m/min，af=0.32mm/Z，ap=0.1mm，刀具磨损曲线如图)所示。试验结果表明，当VBmax=0.3mm时，T=39min，可见用PCBN刀具铣削淬火钢端面时，只要切削用量和刀具几何参数选择恰当，即可获得比较满意的效果。

5 刀具磨钝标准

PCBN刀具铣削淬火钢时，磨损主要发生在后刀面上，前刀面的磨损相对较小，因此，刀具磨钝一般以后刀面最大磨损量VBmax作为标准。从图3可知，当VBmax>0.3mm时，刀具磨损速度显著加快；当VBmax≈0.25mm时，加工表面粗糙度开始变得不稳定(见图4)。综合考虑刀具寿命、加工表面粗糙度、刀片重磨的方便性和使用的经济性等因素，本文推荐PCBN刀具铣削淬火钢时的磨钝标准为VBmax=0.25-0.3mm。

图4 VBmax对Ra的影响

6 结论

(1)用PCBN刀具切削淬火钢的生产效率大大高于磨削加工，在本试验中，加工表面粗糙度均在Ra0.3-0.9µm之间，与磨削表面近似。因此，采用PCBN刀具加工淬火钢，完全可实现“以铣代磨”。

(2)在切削用量各因素中，铣削速度对刀具寿命的影响最大，进给量次之，铣削深度影响最小。

(3)加工硬度和强度较低的淬火钢(<55HRC，sb<180kgf/mm²)，本文推荐如下铣削用量：V=100-200m/min，ap=0.05-0.2mm，af=0.1-0.4mm；加工中等硬度、较高强度的淬火钢(>60HRC，sb>200kgf/mm²)，本文推荐的铣削用量为：V=150-200m/min，ap=0.05-0.2mm，af=0.05-0.12mm。

(4)推荐以VBmax=0.25-0.3mm作为PCBN刀具的磨钝标准，当淬火钢硬度较低而工艺系统刚性较好时，磨钝标准应取上限。