PCBN刀具镗削灰铸铁的工艺试验

PCBN刀具镗削灰铸铁的工艺试验湖北多菱动力机器股份公司宋银胜一、问题的提出我公司生产的三、四缸柴油机机体缸孔精度要求如图1所示。材料是HT250，硬度为200-250HB。过去采用YG3硬质合金刀具加工，由于加工孔较深，刀具切削行程长，刀具磨损快，且生产批量大，在镗孔过程中主要产生如下几个方面的问题：1)精镗后缸孔产生上大下小的锥度，圆柱度达不到要求；2)刀具刃磨频繁，调刀工作量大；3)加工尺寸散差大，稳定性差；4)工件热变形大，影响加工尺寸精度；5)生产效率低，严重影响生产批量的扩大等。解决这些问题的基本途径是应用新型刀具材料，提高刀具的耐磨性和切削速度及减小刀具与工件的摩擦系数等。为此，笔者选择了PCBN刀具材料，并根据其切削性能，分别在加工中心及组合机床上进行了工艺试验，取得了很好的效果。图1二、镗削加工工艺试验1试验条件加工对象：机体缸套孔，HT250，硬度200-250HB；刀具：PCBN复合片；加工性质：精加工；加工设备：XH756加工中心；加工条件：干式切削。2刀具几何参数对表面粗糙度的影响图2所示是4组不同刀具的几何参数对表面粗糙度的影响曲线，由于PCBN刀具的脆性比硬质合金大，采用负倒棱或负前角以增加刀具的抗冲击强度(防止刀片破裂或断裂)，但负倒棱与负前角的增大，使刀具的切削抗力增大，易引起刀具系统振动，影响工件表面粗糙度，因此要特别注意选择刀具的负倒棱和负前角。图中可以看出，在刀具几何参数为0=0°，01=-10°～-15°0=6°～8°时，工件表面粗糙度值最低，精度最高。这是因为机体镗孔本身是连续切削加工，在切削条件允许的情况下采用0°前角和较小的负倒棱角，有利于减小切削力和刀具系统的振动，使刀具切削轻快，从而有利于降低加工工件表面粗糙度值。Ⅰ0=-3°～-5°01=-20°～-25°0=6°～8°Ⅱ0=0°01=-20°～-25°0=6°～8°Ⅲ0=-3°～-5°01=-10°～-15°0=6°～8°Ⅳ0=0°01=-10°～-15°0=6°～8图2切削速度与表面粗糙度的关系3切削速度对表面粗糙度的影响切削速度的提高有利于工件表面粗糙度值的降低，PCBN刀具材料由于具有很好的热稳定性和高温硬度，导热性能好，摩擦系数小等特点，特别适合于高速切削。根据有关资料推荐，进行了切削速度与表面粗糙度对应关系的切削试验。从图2中可以看出，在低速切削时，工件表面的粗糙度值较大，随着切削速度的增高，工件表面粗糙度值逐步降低。如以Ⅳ组刀具为例在V300m/min时，Ra1.6µm，V500m/min时，Ra1.25µm，这是因为在低速切削时，由于刀具负倒棱或负前角的影响，刀具的切削抗力增大，引起刀具系统振动，从而使表面粗糙度值增大，当切削速度增高到一定值时，主轴的激振频率较高，大大高于机床-工件-夹具-刀具工艺系统固有的频率，因此切削过程平稳，加工表面粗糙度值明显降低。但当V800m/min以后，对表面粗糙度的影响就不很明显。4切削速度对刀具寿命的影响切削速度是影响刀具寿命的最主要因素，图3所示在不同切削速度下，切削路程与刀尖磨损量的关系曲线，可见V≤300m/min时，刀具磨损很快(加工12件左右机体就必需重新磨刀)。在V700m/min以后，刀尖磨损缓慢(加工200件左右机体才开始重新磨刀)，这是因为PCBN刀具在高速切削时，产生较高的切削温度，使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，这种“软化效应”提高了刀具的寿命。图3切削路程与刀尖磨损量的关系5进给量对表面粗糙度的影响由于PCBN刀具需要制出负倒棱以避免切削过程中崩刃，因此进给量的选择不能太小，要大于倒棱宽度，否则刀具切削在倒棱区域，形成很大的负前角，不利于表面粗糙度的降低。进给量过大，同样也影响表面粗糙度的降低。图4所示为进给量与表面粗糙度的关系曲线。从图中可以看出，当进给量f0.2mm/r，f0.4mm/r时，表面粗糙度均不好。图4进给量与表面粗糙度的关系6切深对刀具寿命的影响图5所示，为切深与刀具磨损量的关系曲线，当切深较小时，刀尖磨损量较大(在光学对刀仪上测量)，在ap0.3mm以后，磨损量明显减小，以后呈平缓上升趋势，这是由于切深较小时，刀具处于摩擦切削状态，采用较大切深时，由于有足够的热量对切削区金属进行软化(金属软化效应)，使刀具磨损速度降低。但切深量选得过大，又导致精加工切削力及切削面积增大，影响表面粗糙度的减小。图5切深与刀具磨损量的关系三、刀具几何参数及切削用量的合理选择从上述试验结果可以看出，最合理的刀具几何参数见表1。主偏角等其它角度根据需要确定。合理切削用量见表1。表1刀具几何参数前角0负倒棱01倒棱宽brmm后角0刀尖rmm刃倾角0°-10°～-15°0.2～0.36°～8°0.4～0.80°表2切削用量切削速度Vm/min进给量fmm/r切深apmm500～10000.25～0.40.3表3PCBN刀具加工缸孔对比刀具加工工件数件表面粗糙度Raµm圆柱度mm尺寸散差范围mm生产率件/hYG3253.2～1.60.015～0.0350.0455PCBN1601.6～0.80.008～0.0200.02030根据这个试验结果，我厂在DV3480立式组合镗床上进行缸套孔切削试验，发现即使V=700m/min，机床的工艺系统也产生较大的振动，这是由于组合机床设计(特别是主轴及刀具系统)本身不适应高速切削，根据图3所示切削路程与刀具磨损曲线关系，选择V=500m/min切削试验，刀具几何参数同上，进给量f=0.3mm/r，切深ap=0.4mm，试验效果良好。表3所示为PCBN与硬质合金刀具切削试验对比表。四、试验结论与注意事项1试验结论从上述切削试验情况来看，PCBN刀具镗削多缸机机体缸孔的切削试验是成功的，已在组合镗床上加工4000多件，使用效果很好。a由于采用了高速切削，大进给量，切削效率高，提高了生产率6倍，可大大降低生产成本。b采用了高速切削，降低表面粗糙度值1级以上。cPCBN刀具具有很高的硬度和耐磨性，提高了刀具使用寿命4倍以上；减小了加工尺寸散差和圆柱度误差；减少了调刀磨刀次数，节约了辅助时间。2注意事项a由于PCBN刀具在高速下切削，因此机床-工件-夹具-刀具工艺系统刚度要好，防止振动影响加工精度与打刀。bPCBN刀具脆性较大，应尽可能应用在连续平稳的切削加工场合，这时可采用零前角。当出现断续切削时，特别是在刚度不足时，应采用负倒棱、负前角以避免刀刃崩裂。cPCBN刀具切削深度不能超过刀头的35%。dPCBN复合片刀具可以焊接，可进行数次重磨，PCBN复合片质量要好，不然会产生大面积崩刃。ePCBN刀具刃磨也是至关重要的，在普通工具磨上用金刚石砂轮刃磨后要人工研磨，最好使用进口(日本)或大连理工大学开发的超硬刀具刃磨机，具有微量进给和无进给磨削、砂轮修光等功能，有利于刀具刃磨质量和生产效率的提高，同时还可以减少刀具磨削时刃磨量，提高刀具刃磨次数，即提高刀具使用寿命。f刃磨时要使用50倍放大镜检查刀刃刃磨质量，以提高刀具使用寿命及降低加工表面的粗糙度。