CBN刀具的研究

    本文介绍了装有CBN刀片SPRT车刀。作者曾对这种刀具滚切速度、切削力、切削温度、加工质量、刀具磨损等方面进行了初步实验。结果表明，装CBN刀片SPRT车刀不仅可以用很高速度(190～250m/min)加工淬火钢(HRC50～55)，而且可保持很长刀具耐用度(VB＝0.01~0.02mm/h)。因而刀具磨损已经不CBN-SPRT使用主要矛盾。研究结果同时表明，加工表面波纹度成为影响加工质量主要因素，不适当加工条件会加大表面波纹。本文针对各种因素对加工波纹影响进行了更为深入探讨。1刀杆设计根据以往研究，滚切加工2个主要问题刀片旋转所引起附加误差较大径向力所诱发振动。因此，刀轴轴承转动精度刀杆刚性就成为SPRT刀杆设计重点。对于CBN-SPRT设计，由于刀片无孔无后角，所以给刀具制作带来更多问题，迄今所发表关于各种滚切刀杆设计文章未涉及这一情况。本文CBN-SPRT要用于实验，刀杆还应具有可调几何参数，以探讨不同几何参数对切削性影响。

    滚切刀具上装有圆形刀片，切削过程圆形刀片绕自身轴线连续转动。当刀片转动由专用电机驱动时，称为驱动式滚切刀具(Drivingrotarytool或DRT)；当刀片转动由切削运动带动时称为自滚切刀具(Self-propelledrotarytool或SPRT)。自滚切刀具切削刃必须具有一定刃倾角(e)，以产生沿刀刃切向速度分量vt，带动刀片转动(图1)。SPRT主要优点能够极大提高刀具耐用度，因此SPRT适宜于加工难加工材料，此情况下刀具耐用度可提高30～100倍。虽然SPRT工业上已有应用，有些设计已获专利，但由有文献告诉我们，SPRT上采用刀具材料尚仅限于高速钢硬质合金，超硬刀具材料如CBNPCD尚未用于这一领域。
 
    考虑到以上各种要求，所设计刀杆具有下列特点：

    当使用无后角刀片时，刀杆除了能设置刃倾角e外还能够设置负前角d，以便后刀面加工表面间形成后角，如图2。本文所介绍刀杆上设计了前角架倾角架，使得前角刃倾角连续可调，见图3。前角架倾角架可绕相互垂直空间轴线转动，轴线刀尖处相交，以使前角刃倾角调整不影响刀尖高度。为了将刀杆受力变形减到最小，刀杆采用了紧凑结构以提高刚性。

    车削实验C620-1型车床上进行，全部实验为干切削，具体实验条件如下：刀具及工件材料刀具材料BZN-6000CBN圆刀片，直径分别为Ø9.5，Ø12.7，Ø23。工件材料为55钢(GB699-88)，淬火硬度为HRC50～55。试件心钻有50mm直径通孔，以提高淬透性，整个截面上获得均匀硬度。

    波纹度测量装置表面波纹度定义为一种表面纹理，其上叠加有表面粗糙度轮廓。但标准并未提供波纹度测量方法。本项目采用了千分表进行测量。千分表固定刀台上，见图4，并沿工件表面移动，5mm采样长度内峰谷值作为波纹度数据。实验进行了重复测量减小随机误差，以重复测量平均值作为实验结果。

    切削参数改变前角、刃倾角、切削速度、进给量四因素实验使用了装有Ø12.7刀片SPRT，参数范围为：前角d=-10°，-17°，-30°;刃倾角e=-10°，-14°，-20°，-28°，-40°;切削速度v=100，137，187，256，350m/min;进给量f=0.1，0.14，0.2，0.28，0.4mm/r。切削深度为0.05mm，保持不变。实验数据采用多元回归方法进行处理，回归曲线见图5。研究还针对刀片直径9.5，12.7，23mm，刃倾角正负，滚动、滑动轴承不同进行了波纹度实验，较大负前角使波纹度增大。一般而言，负前角增大使得切削力增大，而增大切削力。尤其径向力，容易造成振动，从而产生波纹。减小负前角，切削力随之减小。但对于无后角刀片，此时后角也同时减小。后角过小时会加剧后刀面与加工表面回弹层之间摩擦，反而使切削力增大。因此只有选用适当前角才能产生较低波纹。进给量越大，波纹度越大。切削速度刃倾角对波纹度影响见图5(b)。滚切速度、切削速度刃倾角之间关系可由下式表示vt=vsine(1)所以提高切削速度或增大刃倾角都会使滚切速度增大。滚切速度增大使得离心力增大，降低了切削过程平稳性，波纹度随之变差。同时减小切削速度刃倾角同样不能改善表面质量。理论上讲，无论ve多么小都会驱动刀片转动(见式1)，但实际情况并非如此，由于轴承存摩擦，所以当切削速度刃倾角都比较小时，刀片很难产生连续滚切运动。所以只有选用适当切削速度刃倾角，才能使刀片均匀转动，从而产生均匀加工表面。由于切削参数对波纹度影响趋势比较复杂，研究采用了数学优化来寻找最佳切削条件。优化使用数学模型即为回归分析所得经验公式。根据优化计算，对于使用滚动轴承Ø12.7刀片SPRT，当d=-12°，e=-13°，v=256m/min，f=0.14mm/r时得到波纹度最小。实验还发现，同样切削条件下，当将刀轴固定使刀片停止转动后，就可以大大减小甚至完全消除振动，从而使波纹度降低至2～3µm。这进一步证明，振动波纹都与刀片转动有关。由于刀轴偏心轴承间隙，会使得切削深度变化，造成切削力波动，从而产生了振动。根据星铁太郎论述，当振动由外部周期位移干扰所激发，并以自激振动形式持续进行时，这种振动含有强迫振动自激振动，称为混合型颤振。一般情况下，振动所产生加工波纹往往形成左旋、右旋或直纹形式。但SPRT所产生波纹有时呈随机分布。此时切削过程相对平稳，刀具工件上感觉不到明显振动。这似乎表明，仅仅有周期位移干扰并不足以造成振动，如果其它一些参数，例如受力大小、干扰频率、系统刚性、阻尼特性、固有频率等不满足一定条件，振动便不会持续下去。此时加工波纹仅仅由于刀具转动偏心引起。根据实验记录，此时波纹度较低，能达到3µm。本文使用滚切刀杆结构精度上尚不十分理想，若经过进一步完善，有可能获得更好加工质量。为便于今后改进刀具设计，针对刀片直径、刃倾角方向、轴承结构等因素对表面波纹度影响进行了研究。大量观测数据基础上，用直方图图6表达了实验结果。图横轴表示波纹度值，纵轴表示观测频数。刀片直径越小，所产生波纹度越低。这由于随着刀片直径增大，平均主偏角减小，这将改变切削力大小方向，使得径向力(Fy)增大。这一分析测力实验得到证实，装有Ø3mm刀片刀具所产生切削力装Ø12.7mm刀片刀具3倍。影响波纹度另一个主要因素轴承结构。滑动轴承刀具加工出表面质量高于滚动轴承刀具。原因可能滑动轴承阻尼特性优于滚动轴承；同时滑动轴承结构较简单，产生误差因素较少。从图6还可看到，对于具有滑动轴承刀具来说，轴承间隙越小，加工质量越好。因此可以认为，装有小直径刀片、小间隙滑动轴承SPRT，更容易产生较好加工质量。4结论所研制CBN-SPRT采用了弹性卡头周边装卡方式。为避免刀具工件干涉并驱动刀片转动，采用了可调前角刃倾角。表面波纹度主要由刀具转动偏心振动造成，振动由强迫振动自激振动组成。

    过大或过小前角都会加剧振动、加大波纹度。滚切转速过高过低也会使切削过程稳定性降低，加大波纹。对于装有滚动轴承Ø12.7刀片SPRT，当d=-12°，e=-13°，v=256m/min，f=0.14mm/r时得到波纹度最小。
   
    装有小直径刀片、小间隙滑动轴承SPRT，更容易产生较好加工质量。

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