PCBN刀具镗削灰铸铁的工艺试验

一、问题的提出

我公司生产的三、四缸柴油机机体缸孔精度要求如图1所示。材料是HT250，硬度为200-250HB。过去采用YG3硬质合金刀具加工，由于加工孔较深，刀具切削行程长，刀具磨损快，且生产批量大，在镗孔过程中主要产生如下几个方面的问题：1)精镗后缸孔产生上大下小的锥度，圆柱度达不到要求；2)刀具刃磨频繁，调刀工作量大；3)加工尺寸散差大，稳定性差；4)工件热变形大，影响加工尺寸精度；5)生产效率低，严重影响生产批量的扩大等。解决这些问题的基本途径是应用新型刀具材料，提高刀具的耐磨性和切削速度及减小刀具与工件的摩擦系数等。为此，笔者选择了PCBN刀具材料，并根据其切削性能，分别在加工中心及组合机床上进行了工艺试验，取得了很好的效果。

图1

二、镗削加工工艺试验

1 试验条件

加工对象：机体缸套孔，HT250，硬度200-250HB；
刀具：PCBN复合片；
加工性质：精加工；
加工设备：XH756加工中心；
加工条件：干式切削。

2 刀具几何参数对表面粗糙度的影响

图2所示是4组不同刀具的几何参数对表面粗糙度的影响曲线，由于PCBN刀具的脆性比硬质合金大，采用负倒棱或负前角以增加刀具的抗冲击强度(防止刀片破裂或断裂)，但负倒棱与负前角的增大，使刀具的切削抗力增大，易引起刀具系统振动，影响工件表面粗糙度，因此要特别注意选择刀具的负倒棱和负前角。图中可以看出，在刀具几何参数为g₀=0°，g₀₁=-10°～-15°a₀=6°～8°时，工件表面粗糙度值最低，精度最高。这是因为机体镗孔本身是连续切削加工，在切削条件允许的情况下采用0°前角和较小的负倒棱角，有利于减小切削力和刀具系统的振动，使刀具切削轻快，从而有利于降低加工工件表面粗糙度值。

Ⅰ g₀=-3°～-5° g₀₁=-20°～-25° a₀=6°～8°
Ⅱ g₀=0° g₀₁=-20°～-25° a₀=6°～8°
Ⅲ g₀=-3°～-5° g₀₁=-10°～-15° a₀=6°～8°
Ⅳ g₀=0° g₀₁=-10°～-15° a₀=6°～8
图2 切削速度与表面粗糙度的关系

3 切削速度对表面粗糙度的影响

切削速度的提高有利于工件表面粗糙度值的降低，PCBN刀具材料由于具有很好的热稳定性和高温硬度，导热性能好，摩擦系数小等特点，特别适合于高速切削。根据有关资料推荐，进行了切削速度与表面粗糙度对应关系的切削试验。

从图2中可以看出，在低速切削时，工件表面的粗糙度值较大，随着切削速度的增高，工件表面粗糙度值逐步降低。如以Ⅳ组刀具为例在V<300m/min时，Ra>1.6µm，V>500m/min时，Ra<1.25µm，这是因为在低速切削时，由于刀具负倒棱或负前角的影响，刀具的切削抗力增大，引起刀具系统振动，从而使表面粗糙度值增大，当切削速度增高到一定值时，主轴的激振频率较高，大大高于机床-工件-夹具-刀具工艺系统固有的频率，因此切削过程平稳，加工表面粗糙度值明显降低。但当V>800m/min以后，对表面粗糙度的影响就不很明显。

4 切削速度对刀具寿命的影响

切削速度是影响刀具寿命的最主要因素，图3所示在不同切削速度下，切削路程与刀尖磨损量的关系曲线，可见V≤300m/min时，刀具磨损很快(加工12件左右机体就必需重新磨刀)。在V>700m/min以后，刀尖磨损缓慢(加工200件左右机体才开始重新磨刀)，这是因为PCBN刀具在高速切削时，产生较高的切削温度，使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，这种“软化效应”提高了刀具的寿命。

图3 切削路程与刀尖磨损量的关系

5 进给量对表面粗糙度的影响

由于PCBN刀具需要制出负倒棱以避免切削过程中崩刃，因此进给量的选择不能太小，要大于倒棱宽度，否则刀具切削在倒棱区域，形成很大的负前角，不利于表面粗糙度的降低。进给量过大，同样也影响表面粗糙度的降低。图4所示为进给量与表面粗糙度的关系曲线。从图中可以看出，当进给量f<0.2mm/r，f>0.4mm/r时，表面粗糙度均不好。

图4 进给量与表面粗糙度的关系

6 切深对刀具寿命的影响

图5所示，为切深与刀具磨损量的关系曲线，当切深较小时，刀尖磨损量较大(在光学对刀仪上测量)，在ap>0.3mm以后，磨损量明显减小，以后呈平缓上升趋势，这是由于切深较小时，刀具处于摩擦切削状态，采用较大切深时，由于有足够的热量对切削区金属进行软化(金属软化效应)，使刀具磨损速度降低。但切深量选得过大，又导致精加工切削力及切削面积增大，影响表面粗糙度的减小。

图5 切深与刀具磨损量的关系三、刀具几何参数及切削用量的合理选择

从上述试验结果可以看出，最合理的刀具几何参数见表1。主偏角等其它角度根据需要确定。合理切削用量见表1。

表1 刀具几何参数
前角g₀ 负倒棱g₀₁ 倒棱宽br mm 后角a₀ 刀尖r_e mm 刃倾角l 0° -10°～-15° 0.2～0.3 6°～8° 0.4～0.8 0°
表2 切削用量
切削速度V m/min 进给量f mm/r 切深a_p mm 500～1000 0.25～0.4 >0.3
表3 PCBN刀具加工缸孔对比
刀具 加工工件数 件 表面粗糙度Ra µm 圆柱度 mm 尺寸散差范围 mm 生产率 件/h YG3 25 3.2～1.6 0.015～0.035 0.045 5 PCBN 160 1.6～0.8 0.008～0.020 0.020 30

根据这个试验结果，我厂在DV3480立式组合镗床上进行缸套孔切削试验，发现即使V=700m/min，机床的工艺系统也产生较大的振动，这是由于组合机床设计(特别是主轴及刀具系统)本身不适应高速切削，根据图3所示切削路程与刀具磨损曲线关系，选择V=500m/min切削试验，刀具几何参数同上，进给量f=0.3mm/r，切深ap=0.4mm，试验效果良好。表3所示为PCBN与硬质合金刀具切削试验对比表。

四、试验结论与注意事项

1 试验结论

从上述切削试验情况来看，PCBN刀具镗削多缸机机体缸孔的切削试验是成功的，已在组合镗床上加工4000多件，使用效果很好。

a 由于采用了高速切削，大进给量，切削效率高，提高了生产率6倍，可大大降低生产成本。
b 采用了高速切削，降低表面粗糙度值1 级以上。
c PCBN刀具具有很高的硬度和耐磨性，提高了刀具使用寿命4倍以上；减小了加工尺寸散差和圆柱度误差；减少了调刀磨刀次数，节约了辅助时间。

2 注意事项

a 由于PCBN刀具在高速下切削，因此机床-工件-夹具-刀具工艺系统刚度要好，防止振动影响加工精度与打刀。
b PCBN刀具脆性较大，应尽可能应用在连续平稳的切削加工场合，这时可采用零前角。当出现断续切削时，特别是在刚度不足时，应采用负倒棱、负前角以避免刀刃崩裂。
c PCBN刀具切削深度不能超过刀头的35%。
d PCBN复合片刀具可以焊接，可进行数次重磨，PCBN复合片质量要好，不然会产生大面积崩刃。
e PCBN刀具刃磨也是至关重要的，在普通工具磨上用金刚石砂轮刃磨后要人工研磨，最好使用进口(日本)或大连理工大学开发的超硬刀具刃磨机，具有微量进给和无进给磨削、砂轮修光等功能，有利于刀具刃磨质量和生产效率的提高，同时还可以减少刀具磨削时刃磨量，提高刀具刃磨次数，即提高刀具使用寿命。
f 刃磨时要使用50倍放大镜检查刀刃刃磨质量，以提高刀具使用寿命及降低加工表面的粗糙度。