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PCBN 刀具切削高（gāo）溫合金鋸齒形切屑形成機理

2016-11-14 來源：哈爾濱（bīn）理工大學機械動力工程（chéng）學院作者：吳明（míng）陽趙旭（xù）計偉程（chéng）耀（yào）楠劉利

摘要：高溫合金被廣（guǎng）泛的應用於航空航天工（gōng）業中，它是（shì）一種典型的難加工材料，切削過程刀具磨損嚴重。PCBN 刀（dāo）具作為一種超硬刀具材（cái）料在加工高溫（wēn）合金方麵（miàn）具有較大潛能，但由於PCBN 刀具沒有斷屑槽，故斷屑困難。因此（cǐ）研究（jiū）切（qiē）削參數以及刀具磨（mó）損對切屑形成的影響規律對推進PCBN 刀具的應用具有重要的意義（yì）。通（tōng）過試驗研究切削參數和（hé）刀具磨損（sǔn）對切削力（lì）、切屑宏觀狀態和切屑微觀參數(切屑剪切角、切屑厚度、齒高和（hé）齒間角)的影響規（guī）律。試驗結果表明：當切削速度為97 m/min，切削深度為0.1 mm，進給量（liàng）為0.14 mm/r 時，切屑的宏觀狀態最佳。並根據試驗結果，確定了絕熱剪切帶的位置和兩個（gè）切屑鋸齒（chǐ）形成的關（guān）係，進（jìn）而建立了PCBN 刀（dāo）具切削高溫（wēn）合金GH4169 的（de）鋸（jù）齒形切屑的形成機理模型：當刀具運動到某一點開始出現（xiàn）絕（jué）熱剪切帶，繼續運動到下一點，形成一個（gè）鋸齒，繼續運動將（jiāng）出現下一個剪切失（shī）穩。

關鍵詞：切屑形成機理；GH4169；PCBN 刀具（jù）；切削力；刀具磨損

0. 前言

為了應對更加惡劣的工作環境，難（nán）加工材料的（de）應用越來越多，高溫合金就（jiù）是其中之一（yī），尤其是鎳基高溫合金（jīn），它廣泛的應用於（yú）航（háng）空航天領（lǐng）域[1-2]。高溫合金是在600～1 200 ℃的溫度（dù）下仍然可以（yǐ）保持較好的高溫性能（néng），同時具有較好的機械性（xìng）能。但高溫合金是一種典型的難加工材料，現在（zài）加工（gōng）高溫（wēn）合金主（zhǔ）要采用塗層硬質合金[3-5]以及陶瓷刀具[6]，但這（zhè）些刀具材料都（dōu）沒有達到較好的效果。因此，應（yīng）考慮先進（jìn）的（de）刀具材料，例如聚晶（jīng）立方（fāng）氮化硼刀具(PCBN)[7-9]，其在加工高溫合（hé）金方麵具有較大潛能，但是仍然存在很多問題：由於PCBN 刀具沒有斷屑槽，因此在切削過程（chéng）中斷屑比較困難。

目前，切屑控製的研究主（zhǔ）要集中在一般（bān）工件材料的宏觀（guān）微觀形態，例如切屑的形成、切屑的流動、切屑的卷曲等[10-12]，而（ér）對於PCBN 刀具切削高溫合金切屑的研究較少。THAKUR 等[13]研究了幹式切削條件下，切削參數與切屑厚度和刀-屑接觸長度，結果表明：切屑厚度隨（suí）切削速度增加而增加；而進給量是影響刀-屑接觸長度的主要（yào）因素，隨進給量的增加而增加，隨切削速度增加而降低。KONG 等[14]利用有限元分析的方法研究了直（zhí）角切削過程切屑形成機理，結果表明：刀具的前（qián）角減（jiǎn）小，易產生鋸齒形切（qiē）屑，絕（jué）熱剪切現象更加明顯，因為刀具（jù）前角減小，主剪切區（qū）內（nèi）剪應變增大，切削熱（rè）增多，切削溫度升高，切屑變形程度增大。SIEMERS 等[15]研究了Alloy 625 中Ag 的含量對切屑形成的影響規律。ZĘBALA 等[16]研究了兩（liǎng）種不同斷屑槽刀片對加工Inconel 718 刀具性能。GÜLLÜ 等[17]設計了Inconel718 加工用新型斷屑槽，並對比（bǐ）了切屑的形狀。

綜上所述，對PCBN 刀具高溫合金切削過程中，對切（qiē）屑的微（wēi）觀形態的研究較少（shǎo），因此本文主要研究PCBN 刀具切削高溫合金鋸齒形切屑的微觀（guān）形（xíng）態特征（zhēng），考慮到切削力對切屑微觀形態（tài）的作用，首先研究切削參數對切削力的影響規律和切屑微觀形態參數的影響規律；然後，研究刀具磨損過程中切削力和切屑微觀參數（shù）的變（biàn）化規律，最後建立PCBN 刀具切削GH4169 的鋸齒形切屑的形（xíng）成機理模型。

1. 鋸齒形切屑的形成機理

鋸齒形切屑的形成原因主要有兩種：絕熱剪切和周期（qī）性斷裂理論。目前（qián）采用絕熱剪切理論更加（jiā）容易解釋切（qiē）削較低的熱導率的（de）高溫合金材料產生的鋸齒形切屑。KOMANDURI 等[18-19]最早提出絕熱剪切理論(Adiabatic shear theory, ASH)是鋸齒（chǐ）形切屑的形成的原因：剪切麵上的工件材料因高（gāo）溫引（yǐn）起流動應力的下降大（dà）於應變硬化引起流（liú）動應力（lì）的升高而使剪切抗力下降（jiàng），產（chǎn）生（shēng）剪切失穩；剪切變形更加集中在發生剪切變（biàn）形的剪切麵上並進一步促使剪切麵剪切抗力下降；這兩個原因使得剪（jiǎn）切（qiē）變（biàn）形越（yuè）來越高度集中在一個狹窄的(絕熱)剪切帶上，進而形成（chéng）鋸齒形切屑。TURLEY 等[20]在研究鈦合金切屑時，發現鋸齒形切屑形成的幾個階段：在（zài）切削速度方向材（cái）料出現微小裂紋，然後在剪（jiǎn）切帶出現絕熱剪切失穩，形成絕熱剪切帶，最後形成鋸齒形切屑。KOMANDURI 等[21]在絕熱剪切理論的基礎上，試驗研究了切削速度在15.25～213.5 m/min 高溫合金Inconel 718 的切（qiē）屑形態，發現當（dāng）切（qiē）削速（sù）度高於61m/min 時出現了鋸齒形切屑。

硬態切削使用PCBN 或陶瓷刀具，鋸齒形切屑的形成與高溫合金相似。DAVIES 等[22]建立（lì）了硬態（tài）切削鋸齒（chǐ）形切屑（xiè）形成模型，如圖1 所示，當刀具切削刃運動到B′時，開始發生絕熱剪切失穩。切削刃（rèn）繼續運動到A 點時，熱軟化效應使得沿著BD 進一步變形所需的應（yīng）力降低，並且刀具在BE 的應力迅速降（jiàng）低，同時，由於ABB′區域內（nèi）的材（cái）料受到擠壓和剪切，刀具前刀麵AB 的載（zǎi）荷（hé）增大（dà）。切削刃處（chù）材料的熱-力狀態和AB 及BD 上的應力對下（xià）一個鋸（jù）齒形切屑單元的形成起決定（dìng）性作用（yòng）。如果切削速度（dù）明顯高於鋸齒形成（chéng）的臨界切削速度，沿BD 傳遞的載荷就迅速降低至接近於零。由（yóu）於剪切區的形成過程很快可視為（wéi）絕熱，而剪切區前方的工件溫度基本上和周圍環境一致，因此下一個鋸齒的形（xíng）成隻取決於AB上的壓力。此外，ELBESTAWI 等[23]研究了在硬態切削（xuē）狀態下鋸齒形切屑的形成機（jī）理（lǐ），提出鋸齒形切屑的變形（xíng）機理不是單純的剪切變形過程，認為表（biǎo）麵能和應變能密度理論能夠更（gèng）好（hǎo）地解釋裂紋的產（chǎn）生和發展。

圖1 鋸齒形切屑形成模型

為了增加PCBN 刀具切削刃的強度，常常采用負倒棱切削刃。目前（qián）對鋸齒形切屑的形成機（jī）理研究不考慮切削刃的結構，對倒（dǎo）棱切削刃在切削高溫合金的鋸齒形切（qiē）屑形成的機理研究相對較少（shǎo），因（yīn）此本文主要研究倒棱刃PCBN 刀具切削（xuē）高溫合金的（de）鋸齒形切屑的形成機理。

2. 切削高溫合金切削力試驗

PCBN 刀具切削高溫合金切（qiē）削（xuē）力較大，並且徑向切削力最大，下（xià）麵試驗研究切削參數對切削力的影響規律。

2.1 試驗設備

圖2 為本文試驗裝置，其中試驗材料為高溫合金（jīn）GH4169，試驗車床為CA6140，測力儀型號為Kistler 9257B，為了降低切削溫（wēn）度並提（tí）高潤滑性采用微量潤滑 (Minimal quantity lubrication, MQL)係統[24]。試驗刀柄為PCLNR2525M12，95°主偏角，-5° 軸（zhóu）向前角和（hé）-5° 徑向前（qián）角；刀片（piàn）型號為CNGA120408，0.2 mm 倒棱寬度，15°倒棱角度；PCBN 刀具材料為BZN6000，90%的（de）CBN 含（hán）量，2μm 粒度以及（jí）Co、Al、Si 基結合劑（jì）。

圖2 試（shì）驗（yàn）裝置設置

2.2 試（shì）驗方法

采用單因素試驗參數主要包括切削速度v、切削深度ap、進給量f，其具體參數如表1 所示。

表1 單因素試驗參數表

2.3 試驗結果與討論

圖3 為切削速度對3 向切削力影響規（guī）律，其中Fx 為切削力在進給方向上的分力 Fy 為工件徑向的分力，Fz 為切削（xuē）速度方向上的切削分力，Fy 為（wéi）最大，Fz 次之，而Fx 最小，是因為PCBN 刀具的（de）負倒棱切削刃結構使得在切削過程中擠壓被加工表麵生產的結果。觀察圖3 可（kě）知，切削速度增加（jiā），切削力Fx、Fy 和Fz 變化有降低的趨勢(除去圖中箭頭所指的點)，但是並不明顯。

圖3 切削速度（dù）對3 向切削（xuē）力的影響規律

圖4 為切削深度對3 向切削力Fx、Fy 和 Fz 的影響規（guī）律。隨著切削深度增加，3 向切削力Fx、Fy 和Fz 增加，其中Fy 最大，Fx 次之，而Fz 最小。切削深（shēn）度增加使材料去除率明顯（xiǎn）增加，因此（cǐ）切削力明顯（xiǎn）增加。

圖5 為進給量對3 向切削力Fx、Fy 和（hé） Fz 的影響規律，隨進給量的增加（jiā），Fy 和（hé）Fz 增加，而Fx 有降低趨勢，其中Fy 最大（dà），Fx 次之，而Fz 最小（xiǎo）。Fx為進給方向上的切削力（lì），當進給速度增加時，高溫（wēn）合金材料變形的時間降低，因此進給方向上的切削力降低。

圖4 切削深度對切削力的影響規律

圖5 進給量（liàng）對切削力的影響規律（lǜ）

試驗（yàn）結果表明：PCBN 刀具切削高溫合金過程中徑（jìng）向切削力Fy 明顯大於其（qí）他兩（liǎng）向切削力。並且切削深度對（duì）切削力的影響最（zuì）大。

3. 切屑（xiè）鋸齒微觀參數試驗

試（shì）驗（yàn）設備和試驗方法與第（dì）2.1 節相同，這裏采用KEYENCE VHX-1000E 超景深顯微鏡觀察並測量切屑微觀形態。圖6 所示PCBN 刀具切削GH4169產生的切屑，本文采用（yòng）切（qiē）屑剪切角λ、切屑厚度Hc、齒間角At、齒高Ht 描述切屑的微觀形態。試驗中發現所有切削（xuē）參數（shù）下的切屑剪切角λ 都在43°～48°之間，因此剪切角（jiǎo）與（yǔ）切削參數無關，因此下麵研（yán）究切削參數對其他切屑參數的關係。

圖6 切屑微觀參數示意圖

3.1 切削速度對切屑微（wēi）觀參數的（de）影響

圖7 為切削（xuē）速度對切屑微觀參數的影響規律（lǜ）圖，其中圖7a、圖7b 和圖7c 分別為切削速度對切屑厚度Hc、齒高Ht 和齒間距（jù）Lc 的影響規律（lǜ），圖7d～圖7h 分別（bié）為（wéi）切削速度（dù）為97 m/min、121 m/min、136m/min、151 m/min、214 m/min 時切屑（xiè）的宏觀形態。圖7a～7c 表明：當切削速度增加時，切屑厚度和切屑齒高總體下降趨勢，但是由於測量誤差（chà）齒厚的數值變化較大；齒間角Ac 呈現出（chū）平緩的上升趨勢，並且（qiě）其表麵範圍50～70°之間變化。

圖7 切削速度對切屑微（wēi）觀參數的影響規律

圖7d～7h 表明當切削（xuē）速度為97 m/min 時，切屑的宏觀狀態最好，而隨著切削（xuē）速（sù）度增加，切屑的宏觀狀態變（biàn）得越（yuè）來越（yuè）差。

3.2 切削深度對切屑微觀參數的影響

圖8 為切削深度對切（qiē）屑微觀及宏觀（guān）狀態的影（yǐng）響規律，其中圖8a、圖8b 和圖8c 分別為切削深度對切屑厚度Hc、齒高Ht 齒間距Lc 的影響（xiǎng）規（guī）律，圖8d～8h 分別為切削深度為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.6 mm 時的切屑宏觀狀態（tài）。從（cóng）圖中8a～8c 可（kě）知切屑（xiè）厚度和切屑齒高都升高；隨著切削深度增加（jiā）(直至0.4 mm)，齒間角變化趨勢平穩；當切（qiē）削深度為0.5 mm 時，齒（chǐ）間角急劇下降；當切削深度為0.6 mm 時，齒間角又略有上升。從圖8d～8h 的形態可知，當切削深度為0.1 mm時，切屑的宏觀（guān）狀態（tài）最佳（jiā）；當切削深度（dù）為0.3 時，切屑狀（zhuàng）態最（zuì）差；切削深度繼續（xù）增加切屑狀態有所改善（shàn）。

圖8 切削深度（dù）對（duì）切屑微觀參數的影響規律

3.3 進給（gěi）量（liàng）對切屑微觀參數的影響規（guī）律

圖9 為進（jìn）給量（liàng）對切屑微觀及宏觀狀態的影響規律，其中圖（tú）9a、圖9b 和圖（tú）9c 分別為進給量f 對切屑厚度Hc、齒（chǐ）高（gāo）Ht 齒間距Lc 的影響規律，圖9d～圖（tú）9g 分別為（wéi）進給量為（wéi）0.11 mm/r、0.14 mm/r、0.16mm/r、0.18 mm/r、0.20 mm/r 時的（de）切（qiē）屑（xiè）宏觀狀態。從圖中9a～9c 可知，隨著進給量增加，切屑厚度有升高的趨勢（shì），而齒（chǐ）高先增大，當進給量達（dá）到0.14mm/r 時，齒高有降低。齒間角隨著進給量增加的變化規律不（bú）明顯，且在50°和60°之間。圖9d～9h 上切屑的宏觀（guān）形（xíng）態可知，當進給（gěi）量f=0.16 mm/r 時，切屑狀態相對較（jiào）好，而在其他的參數下，切屑（xiè）狀態較差。

圖9 進給量對切屑微觀參數的影響規（guī）律

4. 刀（dāo）具磨損對切屑參數影（yǐng）響

PCBN 刀具沒有槽型，刀具磨損也是影響切（qiē）屑控製的因素之一，因此有必要研究刀（dāo）具磨損與切屑微觀形態參數的關係。因此采用與上文相同的試驗係統，並選擇刀具磨損試驗的切削參數：v = 121m/min，f = 0.14 mm/r，ap = 0.15 mm。切屑剪切角λ 的試驗結果與切削參數試驗結果（guǒ）相似（sì），絕大多數數（shù）值集（jí）中在43°～48°之間。

4.1 刀具磨損形態

目（mù）前，PCBN 主要應用於鑄鐵和淬硬鋼加工[25]，其刀具磨損形式主要是前（qián）刀麵月牙窪磨損和後刀麵磨損（sǔn）。圖（tú）10 為切削GH4169 用PCBN 刀（dāo）具前刀麵的磨損形式，圖10aPCBN 刀片前刀麵，圖（tú）10b 和圖10c 為刀尖（jiān）主切削刃處（chù）磨（mó）損（sǔn）形態圖片以及SEM圖，圖10d 為切（qiē）削區域（yù）外刀具磨損，圖10e、圖10f和圖10h 為（wéi）PCBN 副切（qiē）削刃微崩（bēng）刃圖片（piàn）和SEM 圖。PCBN 前刀麵主要磨損形式為副切削刃微崩刃，而微崩（bēng）刃的度（dù）量比（bǐ）較困難，故采（cǎi）用後刀麵磨（mó）損（sǔn）VB度量。

圖10 PCBN 刀具車（chē）削GH4169 磨損形式

4.2 刀具磨損對切削（xuē）力（lì）影響

圖11 a 為PCBN 刀具後刀麵磨損VB 對切削力Fx、Fy 和 Fz 的影響規律（lǜ），圖11b～11f 分別（bié）為PCBN刀具磨損VB =20 μm、109 μm、151 μm、215 μm、231 μm 時（shí）的刀具後刀麵磨損形態。在刀具磨損過程中（zhōng）刀（dāo）具VB≤109 μm 時切削力較低；而當VB>109 μm時，切削（xuē）力較高（gāo）；當VB≥200 μm，切（qiē）削力穩定性（xìng）較低。刀（dāo）具後刀（dāo）麵（miàn）在初期為（wéi）磨損狀（zhuàng）態，如圖11 b 、11c 所示；當進入穩定磨（mó）損期後，刀具有出現微崩刃，如圖11 d～11f 所（suǒ）示。

圖11 PCBN 刀具磨損量VB 對切削力的影響規律

4.3 刀（dāo）具磨損對（duì）切屑微觀形態的影響規律

圖12 為刀具磨損量VB 對切屑微觀參數的影響規（guī）律（lǜ），其中（zhōng）圖12 分別為磨損量VB 對切屑厚度（dù）Hc、齒高Ht 齒間距Lc 的影響規律。圖12 表明：隨著磨損量VB 增加，切屑（xiè）厚度呈現（xiàn）先降低後升高的趨勢，但其（qí）數值變化不大，在120～160 μm 之間；切屑齒高變化趨（qū）勢與切屑厚度相似，齒間距有增加趨勢，先降低而後升（shēng）高，數值（zhí）變化較（jiào）小，絕大多數在40～60 μm 之（zhī）間；齒間角在55°～70°之間（jiān）變化，當VB≤200 μm 時，齒間角在55°到70°，而當VB 超（chāo）過200μm，齒間角降低到50°到60°。

圖12 PCBN 刀具磨（mó）損量VB 對切（qiē）屑微觀參數的影響規律

5. PCBN 刀具切削高溫合金（jīn）鋸齒形切屑的形成模型

PCBN 刀具切削高（gāo）溫合金鋸齒形切屑形成機理模型要以絕熱剪切理論為基礎，並結合（hé）TURLEY等[20]建立的切屑形成模型，充分考慮PCBN 刀具切（qiē）削刃的倒棱（léng）結構在切削過程的作用（yòng）。首先確定剪切帶的位置。圖13 為PCBN 切削高溫合金鋸齒形切屑斷屑模（mó）型，使用普通刀具切削（xuē）時，認為絕熱剪切帶為AE[18-20]，及絕熱剪切帶的斷裂熱從刀尖位置開始。對於普通刀具其切向力大於（yú）徑向力，A 點為應（yīng）力（lì）集中，因此斷裂點從A 點開始，A 點受拉應力。而（ér）PCBN刀具切（qiē）削（xuē）過程中徑（jìng）向力遠大於切向（xiàng）力，因此AA1A2區（qū）域的受力狀態（tài）有所不同，徑向的擠壓力(A1A2 方（fāng）向)大於切向力(AA2 方向)，而且A 點處由於刀具與工件（jiàn）劇烈摩擦而溫度較高，因此斷裂點可能出（chū）現（xiàn）AA1 麵的一（yī）點(D 點)，並且是（shì）由壓應力導致的斷裂，即MN以（yǐ）下部分將成為工件被（bèi）加工表麵的一（yī）部分。綜上，PCBN 刀具刀尖到A 點時，在DE 上出現絕熱剪切裂紋（wén），發（fā）生剪切失穩。

圖13 PCBN 刀具切削高溫合（hé）金鋸齒形（xíng）切屑（xiè）形成機理（lǐ）

出現剪切失穩後，DE 上麵的材料向切屑中流（liú）動，DE 下麵的材料向工件表麵流動，直到刀尖運動到B 點，進而形成（chéng）鋸齒形切屑。而此時的問題（tí）在於發生（shēng）下一個剪切失穩的位置，有三（sān）種（zhǒng）情況：① 發生在B 點前C 點(圖13)，即，在前（qián）一個（gè）切削沒有完全形成前，出現下（xià）一個剪切失穩（wěn）帶；② 發生在B點，即，在前一個切削沒有完全形成時，出現下一個剪切失穩帶（dài）；③ 發生（shēng）在B 點（diǎn）後C′點(圖13)，即，在前一個切削沒有完全形成後，出現下一個剪切失穩帶。

可通過比較圖13 中AB 與E′F 的大小可確定下一個剪切（qiē）失穩的位置。E′F 來源於工（gōng）件待加工表麵（miàn），因此如果（guǒ）E′F>AB 則表（biǎo）明（míng）C′為下一個剪切失穩點；如果E′F=AB 則表明B 為下一個剪切失穩點（diǎn）；如果E′F<AB 則表明C 為（wéi）下一個剪（jiǎn）切失穩點。E′F 和AB 可通過（guò）切屑（xiè）的微觀參數求得，E′F 的長（zhǎng）度L 為（wéi）

式中（zhōng），Δ 為擠壓（yā）在工件表麵材料厚度，ap 為切削深度。

將切屑微（wēi）觀參數和以上參數代入（rù）式(1)~(5)得到結果：E′F > AB。表明下一個剪切失穩點發生在C′點，即，在前（qián）一個切屑形成之後。因此PCBN 刀具切削高溫合（hé）金GH4169 鋸（jù）齒形切屑的形成：當刀具運（yùn）動（dòng）到某一點開始出現絕熱剪切帶（dài），發生剪切失穩；繼續運動到下一點，形成一個鋸齒；繼續移動一段距離，出現下一次剪切失穩。

6. 結論

(1) 當切（qiē）削速度增加，切削力略微降低；當切削深度增加時，切（qiē）削力明顯增加；當進給量增（zēng）加，切削力增加(除進給方向外)；刀具後刀麵磨損VB 增（zēng）加，切削力（lì）有增加趨勢。

(3) 當切削速（sù）度為97 m/min，切削深度0.1 mm，進給量為0.14 mm/r 時，切屑的宏觀狀態最好。

(4) PCBN 刀具切（qiē）削高溫合（hé）金絕熱剪切帶從刀具倒棱麵的某個點開始，而不是刀尖位置；鋸齒形切屑的形成過程：當刀具運動到某一點（diǎn）開始出現絕熱剪切帶，發生（shēng）剪切失穩；繼續運動（dòng）到下一點，形成一個鋸齒；繼（jì）續移動一段距離，將會出現下一（yī）次（cì）剪（jiǎn）切（qiē）失穩。

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