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高硬材料刀具幾何角度（dù）優化結果的統計分析

2019-2-14 來（lái）源：裝甲兵工程學院裝備（bèi）再製（zhì）造技（jì）術國防科技作（zuò）者：吳誌遠（yuǎn），何祥炎，紀凱文，唐修檢

摘要: 由於缺乏共性的數據參考，不同應用（yòng）場合的高硬度材料加工往往（wǎng）重複（fù）許多相似的優化（huà）步驟，大大增加了試驗工作（zuò）量（liàng）。對國內外高硬材料加工的相關試驗結果（guǒ）進行整理和統計，分析了刀具材料和刀具幾何角度最優參數的分布特點以及可能的產生原因。統計結果可為相關工藝優化研究的初始參數選（xuǎn）擇提供參（cān）考，減少試驗工作（zuò）量。

關鍵詞（cí）: 高硬材料（liào）; 刀具（jù）; 幾何角度; 切削加工

目前（qián），由（yóu）於（yú）新裝備對整機工作性能和（hé）技術指標提出了越來越高的要求，包含高硬材料在內的難加工材料應用越來（lái）越普遍。高硬材料的主要特點是強度硬度高、脆性大，導熱性差，切削加工性差等。

由於切屑與刀（dāo）具前刀麵接觸長度小，摩擦熱主要分布在較小的接觸麵（miàn）上，從而導致切削溫度很高，刀具磨損嚴重。合理（lǐ）選擇和優化刀具幾何參數，可以有（yǒu）效發揮刀具材料應有的切（qiē）削性能，是解決高硬（yìng）材料難加工問題的（de）有效（xiào）方法之一。

但由於缺乏具體的數據支撐，大多數的高硬材料加工需要獨立地進（jìn）行刀具幾（jǐ）何參數的優化，這直接導（dǎo）致在不同場（chǎng）合的試驗中需要大量重複相（xiàng）似（sì）的步驟，大大增加（jiā）了（le）試驗

工（gōng）作量。

由（yóu）切削原理可知: 幾何角（jiǎo）度可以（yǐ）決定刀（dāo）刃和刀尖的受力狀態，並按照角度的增減具有規律性變化，對刀具的失效過程（chéng）影響巨大。高硬材料物理性能相近，切削（xuē）參數選擇也具有（yǒu）共性區間。因此，統計（jì）不同刀具材料幾何角度的（de）重（chóng）點分布區（qū）域和分（fèn）布（bù）特（tè）點（diǎn）對相關研究的開展具有較大的借鑒意義。筆者對 2000年以後國內外（wài）高硬材料加工文獻中優化（huà）的刀（dāo）具材料和刀具幾何參數進行統計，並對數據的分布特點進行了總結和分析。

1 、刀具材料的（de）應用比例

在高硬（yìng）材料切削中，刀具（jù）材料主要有硬質合金、陶（táo）瓷和 PCBN。圖1為統計結果中各刀具材料的應用比例，其中（zhōng）: 應用比例最高的是陶瓷材料，占42% ; 其次為硬質合金，占 31% ; PCBN 用的最少，僅（jǐn）占 27% 。這與普通金屬（shǔ）材料加工中高速鋼和硬質合（hé）金為（wéi）主導的應（yīng）用現狀有很大區（qū）別，其原因可能是陶瓷材（cái）料的（de）硬度高於硬質（zhì）合金，可以更好地實現高硬材料的加工，而盡管 PCBN 材料的硬度在 3 種刀具材料中最高，但其（qí）韌性僅約為陶（táo）瓷刀具的 1 /3，相對（duì）較差的韌性影響了其在高硬材料加（jiā）工中的（de）廣泛應用。

圖 1 刀具（jù）材料（liào）應用比例對比

2 、前角應用情況（kuàng）統計（jì）

刀具前角是決定刀具鋒利程（chéng）度的關鍵因素，其（qí）對切削狀態及（jí）刀具耐用度有重要影響。圖 2 為（wéi） 3 種材料刀具的最優前角統計分布情（qíng）況，可以看（kàn）出: 1)切削加工時（shí），PCBN 刀具采用 0°前角的比例為 70% ，但考慮到 PCBN 刀具原始前（qián）角為 0°，並且厚度一般隻有 0． 8 mm，無法通過刃（rèn）磨的方法獲得需要（yào）的角度，可推斷大多數 PCBN 刀具切削中沒有對前角進行優化; 2) 除去 0°外，3 種材料刀具前角主要集中（zhōng）在－ 7° ～－ 5°，為相關（guān）研究中應該關注的取值範圍;3) 66% 的硬質合金和 77% 陶瓷刀（dāo）具選擇了負前角，這個比例與兩者的韌性一致，即韌（rèn）性較差的陶（táo）瓷刀具（jù）需要更多地選用負前角來提高刀具的抗（kàng）衝擊能力，防止切削過程的非正常損壞。

圖 2 3 種材料刀具最優前（qián）角統（tǒng）計

3 、後角應用情況統計

後角的主要作用是減少後刀麵與已（yǐ）加工表麵的摩擦，但過大的後角會降低刀具的抗（kàng）衝擊能力。圖3 為 3 種材料刀（dāo）具的最優後角統（tǒng）計分（fèn）布情況，可以看出: 1) 3 種材料刀具的後角都主要分（fèn）布（bù）在 4° ～12°，與常用刀具後角 6° ～ 8° 的選擇範圍相符，並都符合正態分（fèn）布; 2) 硬質合金刀具、陶瓷刀具和 PCBN刀具分別以 10°、8°和 6°為中線分布，即韌性較差（chà）的PCBN 刀具大多采用較小的（de）後角來保證刀具抗衝擊性，而韌性較高的陶瓷和硬質（zhì）合金可以采用更大的後角來提高刀具鋒利（lì）性和降低摩擦; 3) 從（cóng）選（xuǎn）擇區間的角度（dù）來看，硬質合金、陶瓷刀具、PCBN 刀具（jù）後角選擇在 4°及以下的，分別占 15% 、6% 、4% ，其後角選擇在 12°以上的分別（bié）占 10% 、16% 、9% 。由此可以推斷: 韌性最佳的硬質合金可（kě）以根據實際加（jiā）工情況在較大範圍內選擇刀具（jù）後角，而（ér） PCBN 和陶瓷刀具因韌性較差，選擇範圍受到（dào）了很大影響，過（guò）大、過小的後角（jiǎo）對它的應用都是不利的。

圖 3 3 種材料刀具最優後角統計

4 、主偏（piān）角應（yīng）用（yòng）情況統計

圖 4 為 3 種（zhǒng）材料刀具最優（yōu）主偏（piān）角統（tǒng）計分布情況（kuàng），可知: 1) 3 種刀具的最優主偏角均重合（hé）於 45°，說明對於絕大多數高硬材料，45°主偏角的（de）切削（xuē）效果最佳; 2) 除了 45°以外，硬質合金（jīn）刀（dāo）具的最優主偏角還存在另一峰值 75°，但應用的比例相對較低，其中陶瓷刀具應用比例約為 12% ，明顯低於硬質合金的27% ，這可能與陶瓷的（de）韌性相對較差有關（guān）; 3 ) 75° 主偏角對刀尖的保護相對較弱，限製了該角度的應用，故 PCBN 刀具沒有采用 75°主偏角; 4) 90°主偏角的應用主要受限於零件形狀而被（bèi）動采用，其應用比例就不再（zài）深入討論。

圖 4 3 種材料刀具最優主偏角統計

5 、刃傾角應用情況統計（jì）

刃傾角 λs的作（zuò）用與主偏角的類似，降低刃傾（qīng）角（jiǎo）可以提高刀（dāo）具的（de）抗衝（chōng）擊性。當 λs＜ 0°時（shí），刀尖較鈍，刀頭強度較高。但刃傾（qīng）角絕對值不宜過大，否則容易使工件產生振動，增加機床（chuáng）的負荷。圖（tú） 5 為 3 種刀具材料最優刃傾角統計分（fèn）布情況（kuàng），可以看出: 1) 與圖（tú） 2 中刀具前角的選擇規律一樣，PCBN 的刃傾角選擇主要是 0°，未進行有效優化（huà），硬質合金刀具的最優刃傾角主（zhǔ）要分布在－4° ～ 0°，陶瓷刀具的最優刃傾角主要分（fèn）布（bù）在－ 10° ～ 0°; 2) 選用 0°及以下刃傾角的，硬質合金刀具占 62% ，陶瓷刀具占（zhàn） 71% ，即陶瓷刀具更（gèng）傾向於（yú）選用（yòng）負刃傾角，並且負值更大。由此可以推斷: 對於韌性較差的刀具材料，負（fù）刃（rèn）傾角具有較好的（de）保護（hù）作用，適宜在高硬材料切削中選用。

圖 5 3 種刀具材料（liào）最優刃傾角統計

6 、結論

本文對國內外高硬（yìng）材料加工的相關試驗結果進（jìn）行整理和統計，分析了刀具材料和刀具幾何角度最優參數（shù）的分布特點（diǎn）以及可能（néng）的產生原因，主要得出如下（xià）結論: 1) 在高硬材料切削中，陶瓷刀具的應用效果最佳（jiā）、範圍較廣; 2) 硬質合金韌性較大，在（zài）選擇後角、前角和主偏角時可以根（gēn）據實際加工情（qíng）況在較大範圍內進行選擇，而陶瓷和 PCBN 刀具選（xuǎn）擇時（shí）需要考慮刀具韌性所能承受的範（fàn）圍，選擇餘地較小;3) 3 種（zhǒng）刀具最優主偏角均分布在 45°，此外 75°也可以作為硬質合金刀具的主偏角選擇，但其應用頻率相對較低（dī）; 4) PCBN 刀具前角和刃傾角的優化（huà）工作並不充分，大多數（shù）試（shì）驗中仍采用原始的 0°前角（jiǎo）和刃傾角，且負刃傾角對韌性較差的刀具（jù）材料保護作（zuò）用明顯（xiǎn），在高硬材料的切削中應重點關注。

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