PCBN刀具的磨损与最佳切削速度的研究
作 者：周明虎，杨海东，夏锡全，朱振国
关键词： PCBN 刀具；切削速度；刀具磨损
摘 要：PCBN刀具磨损机理一直都被人们所关注, 本文通过PCBN 刀具切削淬硬合金钢42CrMo的实验，利用扫描电镜对切屑及刀具磨损进行能谱分析，找出PCBN 刀具磨损与切削速度的关系。
引言
PCBN刀具是20世纪80年代初发展起来的一种超硬材料刀具，其高效、精密切削淬硬钢的特性已引起国内外企业界的极大兴趣，在某些场合用PCBN刀具的精密硬态切削工艺代替磨削工艺可大大提高生产效率、降低生产成本。PCBN刀具在淬硬钢和铸铁的精密切削加工中应用最为广泛，占PCBN刀具数量的80%以上，目前我国PCBN刀具的应用情况并不乐观，原因是没有很好地掌握PCBN刀具的使用技术，使得PCBN刀具的切削经济性与普通硬质合金和陶瓷刀具的经济性相当甚至更低。因此研究PCBN刀具的磨损特征对于开拓它的应用范围制定合理切削参数和提高生产效率都有重要意义。本文利用PCBN切削淬硬合金钢42CrMo工件，研究切削速度对PCBN刀具的磨损影响。
2 刀具参数的选择
用PCBN材料制作的刀具具有极高的硬度以及良好的红硬性(可耐受1400-1500℃的高温)、抗氧化性(在1200-1300℃高温下不与铁系金属发生化学反应)和抗断裂韧性，是切削加工合金材料的理想刀具。PCBN刀具主要适用于加工各种高硬材料(如高速钢、轴承钢、淬硬钢、粉末冶炼钢、粉末冶炼金属、奥氏体软铁等)和耐磨材料(如灰口铸铁、烧结铁等)、难加工材料(如Inconel718、表面硬化合金、烧结WC、球墨铸铁、CGI等)。
切削试验在CA6140车床上进行，工件材料为通用合金钢42CrMo，钢棒料φ200×200mm。42CrMo钢强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时具有较高的蠕变强度和持久强度，用于制造强度高和调质截面大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、承受载荷大的连杆及弹簧夹，也可用于2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具等。工件材料的化学成分如表1所示。
试验选用CBN含量高的刀片BN100(见表2)。高速切削时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，传递给刀具及工件的热量大幅减少，切削区的高温软化了切削层的工件材料，从而实现PCBN刀具高速干切削淬硬钢。
切削试验选取ap=0.15mm、f=0.1mm/r，通过改变切削速度Vc1=150m/min、Vc2=240m/min、Vc3=400m/min、Vc4=500m/min、Vc5=600m/min、Vc6=800m/min，进行切削速度与刀具磨损的关系试验。
3 切屑与刀具磨损的分析
PCBN刀具加工淬硬钢时，常出现边界磨损(主沟槽磨损)、刀尖磨损，同时也出现前刀面和后刀面磨损。PCBN刀具的磨损机理主要有：剥落与微崩刃、氧化磨损、CBN的六方化逆转、粘结磨损等。在用PCBN刀片车削淬硬钢42CrMo的试验中，选取不同切削速度，切削600s后对切屑与刀具磨损状态进行能谱分析，所用仪器为JSM6490LV型扫描电子显微镜。在此只讨论Vc1=150m/min、Vc4=500m/min、Vc6=800m/min时的状态。
切削淬硬钢时，切屑呈%半熔&态，刀尖处的高温区最高可达1000℃以上，而且在切削一段时间后，刀具刃口和后刀面的轻微磨损使得切削压力高达10GPa，工件材料中的Fe在高温高压下很容易与空气中的氧发生化学反应而生成FeO的氧化层，在合理的切削条件下能起到保护刀具刃口的作用，但这种氧化层的硬度较低，在摩擦过程中容易脱落。CBN与铁族元素(Fe，Ni，Co等)具有很强的化学惰性。图1为PCBN刀具切削淬硬钢42CrMo时刀具的磨损图，刀具后刀面上可检测到Fe、Mn和Si等元素，而且还发生了一些化学变化，这充分说明了切削淬硬钢时存在扩散磨损现象。实验也证实了PCBN刀具磨损量与切削速度之间的关系，磨损量并不是简单的随速度增加而逐渐增加。
通过实验可以观察到，在切削速度相对较低的增加情况下(Vc1=150m/min，Vc4=500m/min)，刀具的磨损量不断加大，但是当速度继续增加时发现磨损量逐渐减小。一般认为刀具的切削速度越高，切削温度也越高，刀具的磨损就越快。用PCBN刀具切削淬火钢42CrMo时出现了违反这一规律的现象：切削速度到一定程度，PCBN刀具磨损量变小(图4、5：Vc6=800m/min时切屑底面与刀具磨损能谱分析)。
CBN百分比与纯铁的扩散实验中没有发现两者之间的相互扩散，在该实验中通过切屑底面的能谱分析发现CBN刀具中的B和Co向工件中有扩散，切屑中B元素的质量分数逐步增高。图4的切屑中几乎没有发现B元素，说明扩散磨损还没有开始。但是在图5中发现了B元素，说明扩散磨损已经进行。同理，在图7中再次没有B元素，证明扩散磨损逐渐减小直至消失。
对于这种%反常&现象，可以用高速切削理论来解释。高速切削时，大量的切削热被切屑带走，传递给刀具的比例降低，同时切屑来不及变形而相对不能产生过多的切削热使切削温度降低，致使刀具磨损量减小;另外，切削时工件硬度、强度的降低以及结构的改变也弱化了刀具磨损，两方面因素的综合作用使得其在一定切削速度范围内刀具磨损量随切削速度的提高而减少。
当切削速度比较低时，切屑的变形程度随着速度的增加而不断增大，切削热也不断升高，温度的升高也说明扩散的加剧，进而也表明刀具的扩散磨损不断加大，但是当达到一定速度时切屑的变形量变小(如图5所示)，使得温度下降，导致刀具的扩散磨损降低。
总之，PCBN刀具后刀面磨损在某一切削速度下有一个最小值。随着切削速度的增加，一方面，切削温度、化学摩擦效应、扩散等因素增强了刀具磨损;另一方面，工件硬度、强度的降低以及结构的改变弱化了刀具的磨损，两方面因素的综合结果使得刀具磨损量随切削速度的变化有一个最小值，对应着最小磨损量的切削速度常常被称为最佳切削速度，这是PCBN刀具使用时选择切削速度的依据。
4 结语
(1)PCBN刀具在切削加工合金钢42CrMo时，随着切削速度的增加，切削热先逐渐增加，当增加一定值后会随速度的增加而减小。
(2)PCBN刀具磨损机理主要指扩散磨损与加工切削速度之间的关系，通过试验大致证明了它们之间不是纯粹的正比关系，所以必然存在一个速度的最佳值，使得PCBN刀具扩散磨损量最小。
(3)PCBN刀具被国际上公认为90年代最有希望提高劳动生产率的刀具材料之一，因此，应尽快充分地研究PCBN刀具磨损机理，找出最佳切削速度值，以便进一步推广和使用PCBN刀具。
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