1、PCBN刀具鏜削灰鑄鐵的工藝試驗湖北多菱動力機器股份公司 宋銀勝一、問題的提出 我公司生產的三、四缸柴油機機體缸孔精度要求如圖1所示。材料是HT250，硬度為200-250HB。過去采用YG3硬質合金刀具加工，由于加工孔較深，刀具切削行程長，刀具磨損快，且生產批量大，在鏜孔過程中主要產生如下幾個方面的問題：1)精鏜后缸孔產生上大下小的錐度，圓柱度達不到要求；2)刀具刃磨頻繁，調刀工作量大；3)加工尺寸散差大，穩定性差；4)工件熱變形大，影響加工尺寸精度；5)生產效率低，嚴重影響生產批量的擴大等。解決這些問題的基本途徑是應用新型刀具材料，提高刀具的耐磨性和切削速度及減小刀具與工件的摩擦系數等。為

2、此，筆者選擇了PCBN刀具材料，并根據其切削性能，分別在加工中心及組合機床上進行了工藝試驗，取得了很好的效果。 圖1二、鏜削加工工藝試驗 1 試驗條件 加工對象：機體缸套孔，HT250，硬度200-250HB； 刀具：PCBN復合片； 加工性質：精加工； 加工設備：XH756加工中心； 加工條件：干式切削。 2 刀具幾何參數對表面粗糙度的影響 圖2所示是4組不同刀具的幾何參數對表面粗糙度的影響曲線，由于PCBN刀具的脆性比硬質合金大，采用負倒棱或負前角以增加刀具的抗沖擊強度(防止刀片破裂或斷裂)，但負倒棱與負前角的增大，使刀具的切削抗力增大，易引起刀具系統振動，影響工件表面粗糙度，因此要特別注

3、意選擇刀具的負倒棱和負前角。圖中可以看出，在刀具幾何參數為g0=0°，g01=-10°-15°a0=6°8°時，工件表面粗糙度值最低，精度最高。這是因為機體鏜孔本身是連續切削加工，在切削條件允許的情況下采用0°前角和較小的負倒棱角，有利于減小切削力和刀具系統的振動，使刀具切削輕快，從而有利于降低加工工件表面粗糙度值。 g0=-3°-5° g01=-20°-25° a0=6°8° g0=0° g01=-20°-25° a0=6°8

4、6; g0=-3°-5° g01=-10°-15° a0=6°8° g0=0° g01=-10°-15° a0=6°8 圖2 切削速度與表面粗糙度的關系3 切削速度對表面粗糙度的影響 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熱穩定性和高溫硬度，導熱性能好，摩擦系數小等特點，特別適合于高速切削。根據有關資料推薦，進行了切削速度與表面粗糙度對應關系的切削試驗。 從圖2中可以看出，在低速切削時，工件表面的粗糙度值較大，隨著切削速度的增高，工件表面粗糙度值逐步降低。如以

5、組刀具為例在V<300m/min時，Ra>1.6µm，V>500m/min時，Ra<1.25µm，這是因為在低速切削時，由于刀具負倒棱或負前角的影響，刀具的切削抗力增大，引起刀具系統振動，從而使表面粗糙度值增大，當切削速度增高到一定值時，主軸的激振頻率較高，大大高于機床-工件-夾具-刀具工藝系統固有的頻率，因此切削過程平穩，加工表面粗糙度值明顯降低。但當V>800m/min以后，對表面粗糙度的影響就不很明顯。 4 切削速度對刀具壽命的影響 切削速度是影響刀具壽命的最主要因素，圖3所示在不同切削速度下，切削路程與刀尖磨損量的關系曲線，可見V300

6、m/min時，刀具磨損很快(加工12件左右機體就必需重新磨刀)。在V>700m/min以后，刀尖磨損緩慢(加工200件左右機體才開始重新磨刀)，這是因為PCBN刀具在高速切削時，產生較高的切削溫度，使被加工材料軟化，與刀具間硬度差增大，這種“軟化效應”提高了刀具的壽命。 圖3 切削路程與刀尖磨損量的關系5 進給量對表面粗糙度的影響 由于PCBN刀具需要制出負倒棱以避免切削過程中崩刃，因此進給量的選擇不能太小，要大于倒棱寬度，否則刀具切削在倒棱區域，形成很大的負前角，不利于表面粗糙度的降低。進給量過大，同樣也影響表面粗糙度的降低。圖4所示為進給量與表面粗糙度的關系曲線。從圖中可以看出，當進

7、給量f<0.2mm/r，f>0.4mm/r時，表面粗糙度均不好。 圖4 進給量與表面粗糙度的關系6 切深對刀具壽命的影響 圖5所示，為切深與刀具磨損量的關系曲線，當切深較小時，刀尖磨損量較大(在光學對刀儀上測量)，在ap>0.3mm以后，磨損量明顯減小，以后呈平緩上升趨勢，這是由于切深較小時，刀具處于摩擦切削狀態，采用較大切深時，由于有足夠的熱量對切削區金屬進行軟化(金屬軟化效應)，使刀具磨損速度降低。但切深量選得過大，又導致精加工切削力及切削面積增大，影響表面粗糙度的減小。 圖5 切深與刀具磨損量的關系三、刀具幾何參數及切削用量的合理選擇 從上述試驗結果可以看出，最合理的刀

8、具幾何參數見表1。主偏角等其它角度根據需要確定。合理切削用量見表1。 表1 刀具幾何參數 前角g0 負倒棱g01 倒棱寬br mm 后角a0 刀尖re mm 刃傾角l 0° -10°-15° 0.20.3 6°8° 0.40.8 0°表2 切削用量 切削速度V m/min 進給量f mm/r 切深ap mm 5001000 0.250.4 >0.3表3 PCBN刀具加工缸孔對比 刀具 加工工件數 件 表面粗糙度Ra µm 圓柱度 mm 尺寸散差范圍 mm 生產率 件/h YG3 25 3.21.6 0.0150.035

9、 0.045 5 PCBN 160 1.60.8 0.0080.020 0.020 30根據這個試驗結果，我廠在DV3480立式組合鏜床上進行缸套孔切削試驗，發現即使V=700m/min，機床的工藝系統也產生較大的振動，這是由于組合機床設計(特別是主軸及刀具系統)本身不適應高速切削，根據圖3所示切削路程與刀具磨損曲線關系，選擇V=500m/min切削試驗，刀具幾何參數同上，進給量f=0.3mm/r，切深ap=0.4mm，試驗效果良好。表3所示為PCBN與硬質合金刀具切削試驗對比表。 四、試驗結論與注意事項 1 試驗結論 從上述切削試驗情況來看，PCBN刀具鏜削多缸機機體缸孔的切削試驗是成功的，

10、已在組合鏜床上加工4000多件，使用效果很好。 a 由于采用了高速切削，大進給量，切削效率高，提高了生產率6倍，可大大降低生產成本。 b 采用了高速切削，降低表面粗糙度值1 級以上。 c PCBN刀具具有很高的硬度和耐磨性，提高了刀具使用壽命4倍以上；減小了加工尺寸散差和圓柱度誤差；減少了調刀磨刀次數，節約了輔助時間。 2 注意事項 a 由于PCBN刀具在高速下切削，因此機床-工件-夾具-刀具工藝系統剛度要好，防止振動影響加工精度與打刀。 b PCBN刀具脆性較大，應盡可能應用在連續平穩的切削加工場合，這時可采用零前角。當出現斷續切削時，特別是在剛度不足時，應采用負倒棱、負前角以避免刀刃崩裂。 c PCBN刀具切削深度不能超過刀頭的35%。 d PCBN復合片刀具可以焊接，可進行數次重磨，PCBN復合片質量要好，不然會產生大面積崩刃。 e PCBN刀具刃磨也是至關重要的，在普通工具磨