PCBN刀具干切削淬硬轴承钢时磨损机理的研究

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聚晶立方氮化硼(PCBN)是利用人工方法合成的硬度仅次于金刚石的新型刀具材料，在近二十多年中得到了很快的发展，并广泛应用于航天航空、汽车、电子、液压元件等精密工业领域。由于聚晶立方氮化硼具备了许多优良的机械性能，因此不仅常用于加工一些高硬度难加工材料，而且可以应用于精加工淬硬钢以代替磨削工艺。但到目前为止，PCBN刀具切削淬硬钢的加工技术尚未被相关企业广泛采用，其主要原因是企业对用PCBN刀具切削淬硬钢的加工机理、刀具性能及使用技术等方面还没有完全理解和掌握，此外切削过程中的一些不稳定因素以及昂贵的刀具成本也制约了PCBN刀具的使用和推广。近几年来，国内外加强了对PCBN刀具磨损的研究，但研究内容主要集中在一般磨损机理以及在具体加工条件下切削难加工材料等方面，而很少报导采用PCBN刀片加工淬硬钢的磨损问题。

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本文以瑞典Sandvik公司CB20牌号PCBN刀具干式切削淬硬GCr15轴承钢为研究对象，通过切削试验系统分析了PCBN刀具的磨损问题，同时探讨了在切削过程中切屑形态与刀具磨损之间的关系，为拓宽PCBN刀具的应用范围，将其运用于硬材料的精加工提供了试验依据。 - Q) L, u9 ^. F0 k b3 A

1 试验条件

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1. 试验用机床：C6132； @7 p* \) M" g1 S
2. 工件：工件材料：淬硬GCr15轴承钢(淬火后硬度61～63)，工件规格：f40×280mm； 7 t0 Q, M5 T( p
3. 刀片：采用瑞典sandvik公司生产的SNMA120408 S01020E CB20刀片(这种刀片是在硬质合金的载体上焊接了添加氮化钛的立方氮化硼刀尖)，刀片几何形状见图#。装夹后刀具的几何参数：g_o=-6°，a_o=6°，l_s=-4°，k_r=75°，k_r'=15°，刀尖圆弧半径r_e=0.8mm，负倒棱为26°×0.1mm(刀片的扫描电镜图片见图3a)。
4. 切削参数：切削速度v_c=140m/min，背吃刀量a_p=0.2mm，进给速率f=0.1mm/r，采用干式切削。
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   图1 CB20刀片形状

5. 测量与观察：在切削试验中，每间隔3min，在40倍工具显微镜下测量刀具主后刀面磨损量并观察前后刀面的磨损形态；在切削行程达到7800m时，用HITACHI S-570型扫描电镜(SEM)观察刀具表面磨损带形貌，用热电偶法测量切削温度，用YCL型表面轮廓仪测量表面粗糙度。

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2 试验结果与分析

在用PCBN刀具干车削淬硬GCr15轴承钢的试验中观察到：切屑呈暗红色，沿副切削刃方向流出。用热电偶法测量的切削温度达1000℃以上。

1. PCBN刀具磨损特征 $ n: O; l9 y' @% X% R% n* Q
   CB20刀片车削淬硬GCr15轴承钢时，在刀具前后刀面都会产生磨损(如图3b、图5a和图5b所示)。切削过程中，刀尖部位最先发生磨损，紧接着发生前刀面磨损，其主要特征是在靠近倒棱面处最先形成月牙洼。随着切削的进行，月牙洼向前刀面深处、主刀刃和副刀刃延伸。切削行程达到7800m时形成的月牙洼扫描电镜图片如图3b所示，月牙洼宽度和深度比较均匀，但在靠近刀尖部分的金相照片和延伸到两边的金相照片有明显不同，在刀尖部位有颗粒剥落和微崩刃现象。 % m' Q* S U( w9 \5 B' @) q
   在切削初期很难观察到后刀面磨损，但靠近刀尖部位的磨损相对明显。在切削进行6～7分钟后，主后刀面靠近刀尖圆弧处出现了磨损现象。切削行程达到7800m时形成的后刀面磨损带扫描电镜图片见图5b，后刀面磨损带和传统的后刀面磨损带有明显的不同，由图5a可见，副后刀面的磨损远远低于主后刀面的磨损，前、后刀面磨损区域较小。
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   图2 CB20刀片主后刀面磨损曲线

2. 刀具磨损曲线 ) D. W @7 J3 c
   图2是主后刀面磨损曲线。从图+ 可见，随着切削时间的增加，CB20刀片的磨损逐渐均匀增加，初期磨损阶段和正常磨损阶段有明显区别，而正常磨损阶段与剧烈磨损阶段没有明显的区分界限。 w5 R1 a4 H1 _+ c& R2 a- j
   分析认为，在切削试验初期，由于新刀具的前后刀面在微观上仍存在着一些粗糙不平的地方，在切削加工中与工件表面的接触应力很大，故刀具的磨损较快；随着切削时间的增加，新刀具经磨合后，刀具与工件的接触面积增大，压强减小，磨损曲线变化趋于稳定。由图2可见，至试验结束、切削行程达到7800m时，主后刀面磨损量达0.35mm时，切削过程仍然比较平稳，表面粗糙度Ra为1.6。
3. 磨损机理的研究及探讨
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   (a)刀具磨损前的形貌 / W* q7 ^7 c" C	(b)刀具磨损后的形貌 0 p( k% @: B+ P6 E2 i- d$ u n
   图3 前刀面扫描电镜图片(100×) 6 w5 e$ s {% Q) Y% v5 F; W
   (a)新刀具微观组织 9 f# G6 m h: d! w	(b)刀具磨损后的微观组织
   图4 PCBN刀具前刀面扫描电镜图片(3000×)

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   1. 前刀面磨损 ! ~ H; g! e4 @" M
      前刀面磨损现象在切削试验开始阶段即会发生，主要表现为机械磨损造成的轻微划痕和擦伤；随着切削时间的推移，靠近刀尖附近的前刀面磨损呈月牙洼形状，这是由于切削区的高温作用使刀具表面发生了相变磨损，从而表现为“月牙洼”的出现。如果在切削过程中对PCBN刀具进行适当的冷却，比如用惰性气体(以N₂为佳)加以保护，则可以大大减缓刀具前刀面的磨损，从而提高刀具的使用寿命。 % T. Z; k# H* E1 \! M
      利用扫描电镜对靠近微崩刃区域的月牙洼部分进一步观察分析，并与磨损前的刀具表面金相图片进行对比(见图4a、图4b)。从图4可以清楚地看到未切削的CB20刀具前刀面晶粒分布均匀一致，而磨损后的刀具则呈现坑坑洼洼无规律性的表面结构。对此现象的产生，笔者认为是由于切削加工的温度高达1000℃以上，PCBN刀具必然会发生氧化和放氮反应，其反应方程式为： ( c+ l6 U2 P! H4 W4BN_(CBN)+3O₂→2N₂↑+2B₂O₃
      上式表明PCBN刀具表面经氧化作用后会在其表面形成一层氧化膜，但由于切屑的强烈摩擦与热冲击作用，这层氧化膜会很快被切屑带走，造成进一步的氧化磨损。对于相变磨损，图4b中表现得并不明显。
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   2. 后刀面磨损
      在切削加工初期，后刀面的磨损现象很难观察到，但刀尖部分磨损却比较明显，这是由于刀片的刀尖圆弧r_e=0.8mm，背吃刀量a_p=0.2mm，切削加工刚开始时刀具的后刀面与工件并不接触，而后刀面的磨损也就只反映在刀尖与后刀面的圆弧连接处，直到切削进行了6～7分钟左右，在主后面靠近刀尖圆弧处出现了磨损现象。 % {: v6 }; k" b8 s' i/ r
      如图5所示，后刀面磨损部分呈麻点状，刀具表面有颗粒脱落。这是由于在一定压力和高温条件下，CBN活性增强，与加工材料的亲和倾向不断增加，从而导致了粘结磨损的发生。通过图5a与图5b的对比还可以进一步发现副后刀面的粘结情况比主后刀面要好。由于切削加工中，主后刀面的温度来自于刀具与工件的剧烈摩擦和切屑对刀具表面的热冲击，而副后刀面的温度主要是高温切屑流过而引起的，显然比主后刀面的切削温度要低，因此证明了粘结磨损受温度的影响，温度越高，粘结情况越严重。
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      (a)副后刀面表面形貌(100×)	(b)主后刀面表面形貌(100×)	(c)主后刀面微观组织(3000×)
      图5 CB20后刀面磨损表面扫描电镜图片

      图5c说明了CB20刀具另一磨损机制的存在，即a节中所提到的相变磨损。由CB20主后刀面的金相组织可以观察到乳突状麻斑，CBN晶粒突出在表面，周围的粘结剂已经被磨去。这正是发生相变磨损的典型特征，即CBN颗粒发生了CBN→HBN的转化。由于HBN硬度很低，从而丧失了切削能力。由于通常认为前刀面的切削温度要比后刀面高，后刀面有相变磨损产生，则前刀面也必然发生了相变磨损。
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   3. 颗粒剥落和微崩刃现象 0 p0 k& `: l0 r( x# P) ?6 D
      颗粒剥落和微崩刃现象是超硬聚晶金刚石刀具材料所特有的磨损类型。在本试验中，当切削了25分钟左右时，CB20刀具切削刃与加工工件表面接触区域(即负倒棱靠近刀尖圆弧部分)发生了微崩刃现象，用扫描电镜观察产生微崩的CB20刀尖部分，看到刀尖部分已有缺损(见图6)。由于PCBN刀具是由无数细小的CBN颗粒构成的，晶界处富集的“杂质组元”相当于一种“精细裂纹”，而且存在着不均匀的内应力，因而大大降低了晶界强度。因此当高温切屑流过刀具刀尖时，被加工材料材质不均匀或存在硬质点而导致的微冲击以及机床主轴的跳动等造成了CBN颗粒剥落和微崩刃。
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      图6 刀尖微崩的扫描电镜图片(100×)

      研究认为，微崩刃会使切削刃丧失了应有的完整性，有可能导致更大范围的破损。但在本次试验中切削刃并没有出现更进一步的较大破损，切削加工仍然保持着较好状态，加工表面粗糙度并没有发生明显变化。
4. 切屑形态变化分析 : E+ G: Y* g6 a9 o, Q& i
   阎秋生教授的研究认为：在切削速度较高、加工材料仍处于较低温度的情况下，刀尖位置已经满足了被切除材料产生脆性剪断的条件，因而在满足切削区材料塑性剪切滑移应力条件之前形成了产生锯齿形切屑的裂纹而生成锯齿形切屑。试验中发现在相同切削用量下，切屑在不同时期也会有一些变化。在切削初期阶段(见图7a)，可以清楚地看见切屑是由层状薄片挤压堆积形成的。结合图8来加以说明：切削初期，刀具与工件的接触面小，挤压作用比较大，切屑排出困难；切削进行了一段时间之后，随着刀具钝圆r_n的出现，切削接触面积增大，并且刀具前刀面月牙洼的产生也使得刀具实际前角增大，同时刀具表面经过切屑的滑擦作用也变得光滑，从而适宜切屑的流出，切屑的剪切变形和排出阻力都有所减小，因而切屑表面较为光滑(见图7b、7c)。 9 W6 R4 G) K( F& v( h: O4 V3 P; a/ Y' N! m( s+ r) S% Q, u6 ]' s9 H2 h

   (a)新刀具切削初期时的切屑形态(100×) % Z0 @) w5 d L* D! V' ~4 E	(b)刀具磨损后较低温度下的切屑形(100×) 7 s; d r+ V: B' t$ h% v8 O	(c)刀具磨损后连续切削、高温下的切屑形态(80×)
   图7 相同切削条件下不同时期的切屑形态比较 - [2 O9 E7 M: d# K
   图8 刀具不同磨损状态下的切削示意图

   比较图7b和7c：图7b是刀片进行磨损测量后再次进行切削(工件温度较低)产生的最初切屑形态，切屑平直呈长条形；随着切削时间的延长，切削温度升高后，切屑就变为图7c的螺旋锯齿状形态。由于在此过程中只有切削温度发生了变化，切削参数并没有改变，因此笔者认为温度的变化对切屑形态也有着一定的影响：随着切削温度的升高，切屑的剪切变形增大，锯齿状切屑的齿距和齿高都会有所变化。有关温度因素对切屑的具体影响还有待深入研究。

3 结论

1. 用CB20刀具精车淬硬钢(HRC>60)，切削过程比较平稳且刀具使用寿命长，是精加工淬硬钢等硬脆材料的理想刀具。建议采用如下的切削用量：切削速度V_c≥140m/min，背吃刀量a_p=0.2mm，进给速率f=0.1mm/r。
2. CB20刀具前后刀面磨损区域较小且主要集中在刀尖和副倒棱附近，磨损原因主要是机械磨损、氧化磨损、相变磨损和粘结磨损，它们的共同作用造成了刀具的磨损。 / z8 x/ }9 n. c( C+ O/ Y; J
3. CB20刀具在磨损区域有颗粒剥落和微崩刃发生，因此在加工中必须合理选择切削用量，提高工件材料的材质，选用刚性好的机床，注意机床—工件—刀具工艺系统的振动。 1 D3 H6 `+ p: M& L
4. 切削加工是一个动态的过程，在相同的切削参数下，切屑形态随着刀具的磨损会发生变化，有关影响切屑形态变化的原因和机理有待于进一步深入研究。