硬车削用PCBN刀片的切削刃制备
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零部件制造商在精加工淬硬工件时往往面临两难选择。人们通常认为,硬车削比磨削更灵活、更环保和更高效。然而,美国罗格斯大学工业与系统工程系副教授Tuğrul Özel认为,由于硬车削存在一些与刀具几何形状有关的问题,从而使磨削比硬车削更可靠,并能获得更好的表面光洁度。
图1 Conicity技术公司的切削试验显示了制备标准T型棱带刃口(上左)和瀑布型刃口(下右)的PCBN DNGW1506O8刀片的磨损状况及磨损方向。T型棱带刀片会产生不稳定的切屑(下右) ,瀑布型刀片则形成稳定的切屑(下左)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图2 标准参数与可变参数刃口制备的对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图3 在切削AlSI 4340钢(淬硬至40HRC) 0.5ms后,具有瀑布型钝化刃口的PCBN刀片的切屑形成与应变场仿真(切削条件:切削速度300m/min,进给率0.15mm/r ,切深1mm)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图4 具有瀑布型钝化刃口(圆弧半径30-60µm)的PCBN刀片切削AISI 4340钢(淬硬至40HRC)后的磨损模式(切削条件:切削速度300m/min,进给率0.15mm/r ,切深1mm )(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图5 高速视频的静止画面显示了具有T型棱带刃口与具有轻微钝化刃口的刀具之间切屑流的区别(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图6 据Federal-Mogul公司报告,在一次切削性能试验中,经过大约600次切削后,刀具发生破损,刀尖处的T型棱带不复存在。切削力和声音频率的测量值马上减小,因为挤压在T型棱带处的切屑消除。表面光洁度测量值也有所减小,表明切屑的形成和流过前刀面变得更容易。尽管切削刃破损并不是一种令人满意的状态,但它证明了在切削加工时,T型棱带刃口制备方式对切削力、振动和切屑流动的影响(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图7 改变刀片T型棱带的角度和后刀面过渡廓形,是成功与失败的分水岭(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

零部件制造商在精加工淬硬工件时往往面临两难选择。人们通常认为,硬车削比磨削更灵活、更环保和更高效。然而,美国罗格斯大学工业与系统工程系副教授Tuğrul Özel认为,由于硬车削存在一些与刀具几何形状有关的问题,从而使磨削比硬车削更可靠,并能获得更好的表面光洁度。
用户通常采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片来进行硬车削,因为这种刀具材料的硬度高于硬质合金。此外,PCBN刀具在切削铁族材料时,不会像聚晶金刚石(PCD)刀具那样,与工件材料发生化学反应,并导致刀具提前失效。
PCBN刀具能够承受硬车削时产生的高温,但当切削温度超过大约1,200℃后,PCBN的金属结合剂材料就会软化,进而导致刀具失效。
Özel指出,发生在刀具副切削刃后刀面上的后刀面磨损,是伴随着月牙洼磨损而出现的,而月牙洼磨损主要形成于靠近主切削刃的前刀面上,崩刃可能会导致灾难性的刀具失效。用PCBN刀具进行硬车削加工时,为了提高生产率和可靠性,获得更好的表面光洁度,以及保护刀具切削刃(尤其是刀尖附近的刃口),就需要对切削刃进行优化制备。

切削刃制备方式的选择

刀具切削刃制备设备供应商Conicity技术公司副总裁Bill Shaffer介绍说,刀具制造商试图采用一种适用于所有切削刃、具有统一尺寸和形状的切削刃制备方法——通常是T型倒棱或刃口钝化。他补充说,T型倒棱是最常见的切削刃制备方式,尽管它能有效减少崩刃的发生,但其相对于工件形成了一个很大的“负表面”,使切削圆角看起来更像是“犁头”而不是切削刃。Shaffer解释说,“用这种负倒棱切削刃加工时,从工件上切离的切屑脱落时,会直接对T型棱带表面造成冲击。T型棱带是负倒棱刀具会因为切削刃出现月牙洼而失效的原因之一。”
Shaffer指出,月牙洼会引起两种类型的刀具失效。如果一个月牙洼足够深,切屑就可能对刀具形成冲击,并造成刀具在与切削力一致的方向——垂直于刀具的后刀面——直接断裂;或者,如果一个月牙洼造成了切屑的滞留堵塞,切削力就会变成水平方向,并通过劈裂刀具的前刀面,造成PCBN刀尖断裂。
Conicity技术公司的切削试验表明,制备标准T型棱带刃口的PCBN刀片会产生不稳定的切屑;制备瀑布型刃口的PCBN刀片则可形成稳定的切屑。Shaffer解释说,与T型棱带引起的刀具磨损(开始时发生在刃口处,然后向刀具中心部位移动)不同,采用可变参数的切削刃制备方法形成的瀑布型或椭圆形圆角廓形造成的刀具磨损,是开始时远离刃口,然后向刃口方向移动。“这就延缓了切削刃的磨损变形,并能实现更高水平的切屑控制。”他补充说,切屑围绕带有瀑布型钝化圆角的刀片端部形成,并顺利离开切削区。
相比之下,采用T型负倒棱时,切屑被挤压在刀具与工件之间,并垂直向上离开切削区。Shaffer说,“采用这种刃口几何廓形时,切屑没有真正有效的排出路径。”
标准型的刃口钝化圆角会保持分解到刀具切向上的切向切削力,与之相比,椭圆形的几何廓形则会引导切削力离开刀具切向,并更深入作用于刀具内部,从而减小刀具所受的压力。在切削试验和硬车削加工中,瀑布型刃口廓形可使刀具压力减小40%。

性能优异的切削刃

Shaffer补充说,采用瀑布型钝化刃口的可变参数制备方法,是基于刀具用于实际切削的方式来制备其切削刃。制备时,主切削刃的特定尺寸是基于进给率确定的。当切削刃围绕刀尖圆角半径过渡时,切削刃的钝化尺寸逐渐减小,直至在刀尖圆角半径和相邻切削刃的切向上呈完全锋利状态,使其能进行“仿形”切削。Shaffer指出,“随着刀尖半径远离主切削刃,切屑负荷厚度也逐渐减小。”
在Özel等人发表于Elsevier期刊的一篇名为“用可变微小形状刃口制备的PCBN刀具进行硬车削”的论文中,从切削实验和有限元模拟获得的结果表明,在车削硬度为HRC40的AISI 4340淬硬钢时,如果能针对特定切削条件,恰当地设计可变刃口制备参数,经过制备的刀片就能减少切削热的产生,从而减小工件的塑性应变,并且刀具的磨损也小于采用标准刃口制备方式的同类刀具。此外,该论文指出,在切削速度125 m/min、进给量0.15 mm/r、切削深度1mm的切削条件下加工时,经过瀑布型钝化制备、切削刃圆弧半径范围为30-60µm 的PCBN刀片产生的径向力最小。
据Özel介绍,获得这些实验和模拟结果的原因是,在硬车削时,切削刃经可变参数制备的PCBN刀片可以提供更大的剪切作用而不是耕犁作用。这是因为,沿着刀片切削刃统一不变的刃口形状会在尚未切除切屑厚度变得较小的副切削刃上,产生较小的尚未切除切屑厚度与切削刃半径之比。他说,“切除的材料被阻塞在沿刀尖圆角半径尚未切除切屑形状的末端附近。低效的切削使工件材料的应变增大,这反过来又增大了机械负荷和热负荷,并产生极高的切削温度。”
Shaffer指出,在某一点(通常是在刀尖圆角半径的中间部位),尚未切除切屑的厚度正好等于统一采用的刃口制备尺寸。从该点继续往前,刃口制备尺寸就超过了尚未切除切屑厚度,使尚未切除切屑在刀具与工件之间受到挤压而不是被切削。他说,“刀具的压力增大,而切削效率下降。用于切削工件的能量被转化为刀具刮擦而产生的摩擦热。”
Özel补充说,可变参数刃口制备还可以减轻作用于工件上的压力,并使以更高的切削速度和进给率、更小的刀具磨损进行硬车削成为可能。他指出,除了淬硬钢以外,在钛合金和镍基合金的车削加工中,刃口制备也同样有效。

可变参数刃口制备技术的应用

有几种金属材料适合用经过可变参数刃口制备的PCBN刀片进行硬车削加工,其中包括高合金粉末冶金材料。美国Federal-Mogul公司开发了这种专有合金材料,用于制造发动机零部件(如发动机缸盖的阀座密封圈)。该公司威斯康星州生产厂的全球研发经理Denis Christopherson指出,这种材料是由高合金钢与硬质颗粒(包括陶瓷和钴基添加物)复合而成,是一种非标准的特殊材料,其硬度可高达HRA70以上,其中硬质颗粒的硬度高于HV 1,000。
随着发动机的体积越来越小、转速越来越快、温度越来越高,阀座密封圈的工作环境也变得越来越严酷,而这种高合金材料为其提供了良好的耐高温性和耐磨性。然而,该公司开发的这种金属材料虽然能胜任工作要求,但其确保加工工艺稳定和刀具磨损一致的安全区却在缩小,在硬车削时刀具破裂或产生月牙洼的风险在增大。
Christopherson说, “这是有问题的。因为我们设计这种材料是为了获得更好的耐用性,但这通常会导致材料的可加工性更差。”但他指出,可加工性并不是材料本身的属性,而是材料对某种加工工艺的响应。因此,当材料难于加工时,为了有效去除切屑,工艺系统必须设计合理,并具有良好的刚性。用户必须遵循良好的加工习惯。只有控制好这些要素,才能增大加工安全区。而刀片的刃口制备也是工艺系统的组成部分。他说,“刃口制备对于加工的成败可能会产生很大影响。虽然精细的刃口制备并非总是至关紧要,但随着加工工艺变得越来越敏感,其作用也变得越来越重要。”
Christopherson主要与原始设备制造商合作,开发这种高合金粉末冶金材料的切削工艺。他指出,为了获得最佳气门配合表面,经过热处理的阀座密封圈要在发动机缸盖中加工;为了将径跳误差减至最小,并使气门导孔与密封圈座表面之间达到要求的同心度,硬车削和铰削加工通常要在同一机床主轴上进行。
Christopherson指出,对于阀座密封圈来说,插切是最常见的加工方式。在整个切削过程中,切屑的厚度和负荷都在不断变化,往往容易造成刀具崩刃或切削刃缺口,因此,研发团队的很多工作都集中在切削刃上。虽然制备T型倒棱会推挤工件材料和增大切削力,但为了增加刃口强度,它可能仍然是必要的。无论是否采用T型倒棱,为了消除强度薄弱的“绝对锋利”状态,对刃口转折过渡形状的设计都至关重要。
但是,即使采用了能增大刃口强度的设计,将切屑推向T型倒棱面的很大的切削力仍然会引起微小振动。Christopherson说,“在一台刚性非常好的CNC加工中心上,用制备了T型倒棱、直径19mm的镗刀加工时,产生了900Hz的微小振动。而当我们采用刃口经过轻微钝化的刀具加工,并使切屑顺畅地流过整个前刀面而不发生挤压时,则能获得良好、安静、平稳、无振动的加工过程。” 据Federal-Mogul公司报告,在一次切削性能试验中,经过大约600次切削后,刀具发生破损,刀尖处的T型棱带不复存在。切削力和声音频率的测量值马上减小,因为挤压在T型棱带处的切屑消除。表面光洁度测量值也有所减小,表明切屑的形成和流过前刀面变得更容易。尽管切削刃破损并不是一种令人满意的状态,但它证明了在切削加工时,T型棱带刃口制备方式对切削力、振动和切屑流动的影响。
如果一家刀具制造商尚未对刀具刃口进行标准化制备,Christopherson建议由一家专业的刀具刃口制备商来提供特殊刃口(如瀑布型刃口)的设计与制备。他说,“我还没有发现有太多技术人员能够制备出理想的瀑布型刃口。”
但是,即使制备出了恰当的刀具刃口,也无法克服加工系统本身的弱点。Christopherson说,“如果加工系统刚性不足、调整不佳,或工件和刀具夹持系统存在设计缺陷,而你却要求它完成对高合金材料的10,000次切削,这是不可能实现的。要完成对难加工材料的高效加工,你首先必须建立坚实的工艺基础。”

可变参数刃口制备与刀具涂层

据罗格斯大学的Tuğrul Özel介绍,大部分进行可变参数刃口制备的刀具都是未涂层刀具,但是,刀具涂层可以提供额外的加工优势,这是因为涂层可以抵御切削热、增强润滑性、提高刀具硬度和提供磨损标识(取决于不同的涂层类型)。然而,采用涂层会使刃口钝化,例如,涂层本身的厚度可能会使5μm的刃口圆弧半径增大到10μm或15μm。
为了克服这一缺陷,可以对涂层刀具进行刃口制备。Özel说,“当然,当你在5μm或10μm厚的涂层上进行切削刃制备后,涂层就会变得更薄一些。”。
Conicity技术公司的Bill Shaffer指出,该公司已能对涂层硬质合金刀具提供各种刃口制备服务,但尚未对涂层PCBN刀具进行刃口制备。
Özel补充说,他和Conicity公司,以及不同的研究机构、山高刀具公司及其涂层事业部正在参与一个国际研究项目,该项目是在国际生产工程学会(CIRP)的成员中进行的,旨在研究对涂层刀具进行刃口制备的影响,并确定哪些制备方法可以获得最佳刀具寿命和加工效率。他说,“由于有不同的企业参与,我们可能会在大约一年后得出研究结果。”
本文作者:硬车削用PCBN刀片的切削刃制备
原载:《工具展望》2011年第4期
上载于:2015-7-20 15:06:43

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