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， 169.6 
    m/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。 

图2 T-f(V, ap, af)试验点磨损曲线

 

    表1 刀具寿命的数据编码资料 
    序号 切削用量 刀具寿命 水平编码

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 

    T=e5.662V-1.358af-1.158ap-0.371 

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。