數控機床（chuáng）

                                   圖1 鋸齒形切屑（xiè）形（xíng）成模型
 
     為了增（zēng）加PCBN 刀具切削刃（rèn）的強度，常常采用負倒棱切削（xuē）刃。目前對（duì）鋸齒形切屑的形成（chéng）機理研究不（bú）考慮切削刃（rèn）的結構，對倒（dǎo）棱切削刃在（zài）切削高溫合金的鋸齒形切屑形（xíng）成的機理研究相對較少，因此本文主要研究倒棱刃PCBN 刀具（jù）切削高溫合金的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（jù）切削高溫合金切削力較（jiào）大，並（bìng）且徑向（xiàng）切（qiē）削力最大，下麵試驗研（yán）究切削參數對切削力的影響規（guī）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GH4169，試驗車床為CA6140，測力儀型號為Kistler 9257B，為了降（jiàng）低切（qiē）削溫度並提高潤滑性采（cǎi）用微量潤（rùn）滑 (Minimal quantity lubrication, MQL)係統[24]。試驗刀柄為PCLNR2525M12，95°主偏角，−5° 軸向前角和−5° 徑向前角； 刀片型號為CNGA120408，0.2 mm 倒棱（léng）寬度，15°倒棱角（jiǎo）度；PCBN 刀具材料為BZN6000，90%的CBN 含量，2μm 粒（lì）度以及Co、Al、Si 基結合劑。
 

                                            圖2 試驗裝置設置
 
     2.2 試驗方法
 
     采用（yòng）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（shì）驗結果與討論
 
     圖3 為切削速度對（duì）3 向切削力影響規律，其中（zhōng）Fx 為切削力在進（jìn）給方向上的分力 Fy 為工件徑向的分力，Fz 為切削速度方向上的切削分（fèn）力，Fy 為最（zuì）大，Fz 次之（zhī），而Fx 最小，是因為PCBN 刀具的負倒棱切削刃結構使得在切削過程中（zhōng）擠（jǐ）壓（yā）被加工表麵生（shēng）產的結果。觀察圖3 可知，切削速度增加，切削力Fx、Fy 和Fz 變化有降低的（de）趨勢(除去圖中箭頭所指的點)，但是並不明顯。
  

     
     
                              圖3 切削（xuē）速度（dù）對3 向切削力的影響規律

      圖4 為切削深度對3 向切（qiē）削力Fx、Fy 和 Fz 的影響規律。隨著切（qiē）削深度增加，3 向切削力Fx、Fy 和（hé）Fz 增加，其（qí）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增加，因此切削力明顯增加。
 
      圖5 為進給量對3 向切削力Fx、Fy 和 Fz 的影（yǐng）響規律，隨進給（gěi）量（liàng）的增加，Fy 和Fz 增加，而Fx 有降低趨勢，其中Fy 最大（dà），Fx 次之，而（ér）Fz 最小。Fx為進給（gěi）方向上的切削力，當進給速度（dù）增加時，高溫合金材料變（biàn）形的時（shí）間降低，因此進給方向上的切削力降低。
  

     
    
                           圖4 切削深度對（duì）切（qiē）削力的影響規律
  

     
  
                               圖5 進給量對（duì）切削力的影響規律
 
     試驗結果表明（míng）：PCBN 刀具切削高（gāo）溫合金過程中徑向切削力Fy 明顯大於其他兩向切削力（lì）。並且切削深度（dù）對切削力的影響最大。
 
 
     3 、切屑鋸齒微觀（guān）參數試驗
 
     試驗設備和（hé）試（shì）驗（yàn）方法與第2.1 節相（xiàng）同，這裏（lǐ）采用KEYENCE VHX-1000E 超（chāo）景深顯微鏡觀察並測量切屑微觀形態。圖6 所（suǒ）示PCBN 刀具切削GH4169產生的切屑，本文采用切屑剪（jiǎn）切角λ、切屑厚度Hc、齒間角At、齒高Ht 描述切屑的（de）微（wēi）觀形態（tài）。試驗中發現所（suǒ）有切削參數下的切屑剪切角λ 都在43°～48°之間，因此剪切角與切削參數無關，因此下麵研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（xiè）微觀參數（shù）的影（yǐng）響
 
     圖7 為切削速度對切屑微觀參數的影響規律圖，其中（zhōng）圖7a、圖7b 和圖7c 分別為切削速度對切（qiē）屑厚度Hc、齒高（gāo）Ht 和齒間距Lc 的影響規（guī）律，圖7d～圖7h 分別為切削速度（dù）為97 m/min、121 m/min、136m/min、151 m/min、214 m/min 時切屑的宏觀形態。圖7a～7c 表明：當切削速度增加時，切屑厚度和切屑齒高總體（tǐ）下降趨勢，但是（shì）由於測量誤差齒厚的數值變化較大；齒（chǐ）間（jiān）角Ac 呈現出平緩的上升趨勢，並且其表麵範（fàn）圍50～70°之間變化。

           圖7 切削速度對切屑微觀參數的影響規律

     圖7d～7h 表明當切削速度為97 m/min 時，切屑的宏觀狀態最好，而隨著切削速度增加，切屑的宏觀狀態變得越來越（yuè）差。
 
     3.2 切削深度對切屑微觀參數的影響
 
     圖8 為切削深度對切屑微觀及宏觀狀態的影響規律，其中圖8a、圖8b 和圖（tú）8c 分別為切削深度對（duì）切屑厚度Hc、齒高Ht 齒間距Lc 的影響規律，圖8d～8h 分（fèn）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。從圖中8a～8c 可知切（qiē）屑厚度（dù）和切屑齒高都升（shēng）高；隨著切削深度增加(直至0.4 mm)，齒間角變化（huà）趨勢平穩；當（dāng）切削
深度為0.5 mm 時，齒（chǐ）間角（jiǎo）急劇下（xià）降；當切削（xuē）深度為0.6 mm 時，齒間角又略有上升。
 
     從圖8d～8h 的形（xíng）態可知，當（dāng）切削深度為0.1 mm時，切屑的宏觀狀態最佳；當切削深（shēn）度為0.3 時，切屑（xiè）狀（zhuàng）態（tài）最差；切削深度繼續增加切屑狀態有所改善。

   
     圖8 切削深度對切屑微（wēi）觀參數的影響規律
 
     3.3 進（jìn）給量對切屑微觀參數的影響規律
 
     圖9 為進給量對切屑微觀及宏觀狀態的（de）影響規律，其中圖9a、圖9b 和（hé）圖9c 分別為進給（gěi）量f 對切屑厚度Hc、齒高Ht 齒間距Lc 的影響規律，圖9d～圖9g 分別為進給量為0.11 mm/r、0.14 mm/r、0.16mm/r、0.18 mm/r、0.20 mm/r 時的切屑宏（hóng）觀狀態。從圖（tú）中9a～9c 可知，隨著進給量增加（jiā），切屑厚（hòu）度有（yǒu）升高的趨勢，而齒高先增大，當進給量達到0.14
mm/r 時，齒高有降低。齒間（jiān）角隨著進給量增加的變化規律不明顯，且在50°和60°之間。
 
     圖9d～9h 上切（qiē）屑的宏觀形態可知，當進給（gěi）量f=0.16 mm/r 時（shí），切屑狀態相對較好，而在其他的參數下，切屑狀態較差。

          圖9 進給量對切屑（xiè）微觀參數的影響規律
 
     4 、刀具磨損（sǔn）對切屑參數影響
 
     PCBN 刀具沒有槽型，刀具磨損也是影響（xiǎng）切屑控製的因素（sù）之一，因此有必要研究刀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（tǒng），並選擇刀具磨損試驗（yàn）的切（qiē）削參（cān）數：v = 121
m/min，f = 0.14 mm/r，ap = 0.15 mm。切（qiē）屑剪切角（jiǎo）λ 的試驗結果與切削參數試驗（yàn）結果相似，絕大多數數值集中在43°～48°之間。
 
     4.1 刀具磨損形態
 
    目前，PCBN 主要應用（yòng）於鑄鐵（tiě）和淬硬鋼（gāng）加（jiā）工[25]，其刀具磨損形式（shì）主要是前刀麵月牙窪磨損和（hé）後刀麵磨損。圖10 為切（qiē）削GH4169 用PCBN 刀具前刀麵的磨損形式，圖10aPCBN 刀片前刀麵，圖10b 和圖10c 為刀尖主（zhǔ）切削刃處磨損形態圖片以及SEM圖，圖10d 為切削區域外刀具磨損，圖10e、圖10f和（hé）圖10h 為PCBN 副切削刃微崩刃圖片和SEM 圖。
 
     PCBN 前刀麵主要磨損形（xíng）式為副切削刃微崩刃，而微（wēi）崩刃的度量比較困難，故采用後刀麵磨損VB度量。

        圖10 PCBN 刀具車削GH4169 磨損形式
 
     4.2 刀具磨損對切削力影響
 
     圖（tú）11 a 為PCBN 刀具後刀麵磨損VB 對切削力Fx、Fy 和（hé） Fz 的影響規律，圖11b～11f 分別為PCBN刀具磨（mó）損VB =20 μm、109 μm、151 μm、215 μm、231 μm 時的（de）刀具後刀麵磨損形態。在刀具磨損過程中刀（dāo）具VB≤109 μm 時切削力較低；而當VB>109 μm時，切（qiē）削力較高；當VB≥200 μm，切削力（lì）穩定（dìng）性較低。刀具後刀麵在初期為磨損狀態，如圖11 b 、11c 所示；當進入穩定磨損期後，刀具有出現微崩刃（rèn），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 刀具磨損對切屑微觀形態的影響規律
 
     圖12 為刀具磨損量VB 對（duì）切屑微觀（guān）參數的影響規律，其中圖（tú）12 分別為磨損量VB 對（duì）切屑厚度Hc、齒高Ht 齒間（jiān）距Lc 的影響規律（lǜ）。圖（tú）12 表明：隨著磨損量VB 增加，切屑厚度呈現先（xiān）降低（dī）後升高的（de）趨勢（shì），但其（qí）數值變化不大，在120～160 μm 之間；切屑齒（chǐ）高變化趨勢與切屑厚度相似，齒間距（jù）有增加（jiā）趨勢，先降低而後升高，數值變（biàn）化較小，絕大多（duō）數在40～
60 μm 之間；齒間角在55°～70°之間變化，當VB≤200 μm 時，齒間角在55°到70°，而（ér）當VB 超過200μm，齒間角降低到50°到60°。

     圖12 PCBN 刀具（jù）磨損量VB 對切屑微（wēi）觀參（cān）數的影響規律
   
     5 、PCBN 刀具切削高溫合金（jīn）鋸齒（chǐ）形
 
     切屑的（de）形成模型
 
     PCBN 刀具切削高（gāo）溫合金鋸齒形切屑（xiè）形（xíng）成機理模型要以絕熱剪切理論為基礎，並結合TURLEY等[20]建立的切屑形成模型，充分考慮PCBN 刀具切削刃的倒棱結構在切削過程的（de）作用。
 
     首先確定剪切帶的位置。
 
     圖13 為PCBN 切削高（gāo）溫合金鋸齒形切屑斷屑模型，使用普通刀具切削時，認為絕（jué）熱剪切帶為AE[18-20]，及絕熱剪切帶的斷裂熱從刀尖（jiān）位置開始。對於（yú）普通刀具其切向力大於徑向（xiàng）力，A 點為應力集（jí）中，因此斷裂點（diǎn）從A 點開始，A 點受拉應力。而PCBN刀具切削過程中徑向力遠（yuǎn）大於切向（xiàng）力，因此AA1A2區域的受力狀（zhuàng）態（tài）有（yǒu）所不同，徑向的擠壓力(A1A2 方向)
大於切向力(AA2 方（fāng）向)，而且A 點處由於刀具與工件劇烈摩擦而溫度較高，因此斷裂點可能出現AA1 麵的一點（diǎn）(D 點)，並且是（shì）由壓應力導致的斷（duàn）裂，即MN以下部分將成為工件被加工表（biǎo）麵的一部分。綜（zōng）上，PCBN 刀具刀（dāo）尖到A 點時，在DE 上出現絕熱剪切裂紋，發（fā）生剪切失穩。

      圖13 PCBN 刀具切削高溫合金鋸齒形切（qiē）屑形（xíng）成機理
 
     出現剪切失穩後，DE 上麵的材（cái）料向切屑中流動，DE 下麵的材料向工件表麵流動，直到刀尖運動到B 點，進（jìn）而形成鋸齒形切屑。而此（cǐ）時（shí）的問題在於發生下一個剪切失穩的位置，有三種情況：① 發生在B 點前C 點(圖13)，即，在前一個（gè）切削沒有完全形成前，出現下一個剪（jiǎn）切失穩帶；② 發生在（zài）B點，即，在前一個切削（xuē）沒有完全（quán）形成時，出現（xiàn）下一
個剪切失穩帶；③ 發生在B 點後C′點(圖13)，即，在前一（yī）個切削沒有完全形成後，出現下一（yī）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（de）位置。E′F 來源於工（gōng）件（jiàn）待加工表麵，因此如果E′F>AB 則表明（míng）C′為（wéi）下一個剪切失（shī）穩點；如果E′F=AB 則表明B 為下一（yī）個剪切失穩點；如果E′F<AB 則表明C 為下一個剪切失穩點（diǎn）。E′F 和AB 可通過切屑（xiè）的微觀參數求得，E′F 的長度L 為

     將切屑微觀參數和（hé）以上參數代入式(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，在前一個切屑形成之後。因此PCBN 刀具切削（xuē）高溫合金GH4169 鋸齒形切屑的形成：當刀具運動到某一點開始（shǐ）出現絕熱（rè）剪切帶，發生剪切失穩；繼續運動到下一點，形成一個鋸齒；繼續（xù）移動一段距離（lí），出現下一次剪切失穩。
 
     6 、結論
 
    (1) 當切削速度增加，切削力略微降低；當切削深度增加時，切削力明顯增加；當進給量增加，切削力增加(除進給方向外)；刀具後刀麵磨損（sǔn）VB 增加，切削力有增加趨勢。
 
    (2) 切削區域剪切角（jiǎo）與切削參數和刀具磨損狀態無關，Ψ ∈[48°,53°]；當（dāng）切削速度增加，切屑厚度和（hé）齒高降低，齒間角增大；當切（qiē）削深（shēn）度增加時，切屑厚（hòu）度和齒高明顯升高（gāo），齒（chǐ）間角降低（dī）；當進（jìn）給量增加，切屑厚度有所增大，而齒高先增大後降低，齒間角變化不明（míng）顯；刀具後刀麵磨損VB 增（zēng）加，切屑厚（hòu）度和齒高先減小後（hòu）增大，齒間角總體降低。
 
     (3) 當切削（xuē）速度為97 m/min，切削深度0.1 mm，進給量為0.14 mm/r 時，切屑（xiè）的宏觀狀態最好。
  
     (4) PCBN 刀（dāo）具切削高溫合金絕熱（rè）剪切帶從刀具倒棱（léng）麵的某（mǒu）個點開始，而不是刀尖位置；鋸齒形切（qiē）屑的形成過程：當刀具運動到某一點開始出（chū）現絕熱剪切帶（dài），發生剪切失（shī）穩；繼續運動到（dào）下一點，形成一個鋸齒；繼續移動一段距離，將會出現（xiàn）下一次剪切失穩。