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199O4~5月1 5日出版 国外金属加工 1900~g。期
连续车削渗碳钢的CBN车
刀几何参数的优化
K．SHINTANI{
簧r 译 垒瓤搔
名调术语
f一走刀量
L—— 切削长度
L】—— 达到磨损限度(V 0．25ram)
时的切削长度
Lz—— 达到粗糙度限度eR。=0．8 m )
时的切削长度
— — 刀·屑接触长度
NL一一负倒棱前角
凡—— 平均粗糙度高度
R —— 表面粗糙度计算平均值
r 一一研磨半径(刃口)
r。⋯ 刀尖圆弧半径
t一切削探度 ’
vB一一后刀面磨损宽度
v——切削速度
w —— 负倒棱宽度
n—一前角
前 言
近年来，切削刀具的抗热性能和抗磨损
性能已经得到显著的改善。然而，对渗碳钢
等高硬材料的精加工， 由于需要烦琐的磨
削，其低速度和低效率仍未得以改善。如果
磨削加工能用切削加工代替，不仅设备韵费
用可 降低，而且可以提高机械加工设备的
灵活性。为此，首先需要有适于加工淬硬钢
的刀具。CBN(立方氨化硼)刀具可以达到
这一目的。CBN作为刀具材料其潜力还没有
被认识，这主要是由于缺乏其切削性能方面
的基本数据，作为刀具的可靠性，特 Ⅱ是其
韧性不足。
用CBN车削淬火钢， 以刀具磨损为基础
化化切削冬件的实验已经有过报道。本文研
究的是以提高刀具耐用度和切削性能为目标
对CBN车刀的几何参数进行优化。也同时研
究了用CBN刀具对渗碳铜进行连续精车以取
代磨削加工。
l工件和刀具材料
留削试验用的材料为曲8x 450mm 的
Cr—Mo渗碳锕(3IS-SCM420)， 在距其
表层lmm深度内进行切朗试验。渗碳层硬度
为?IV600~720。刀具材料为以TiN或A1N
作粘结相的CBN。CBN的粒度为3 m。CBN
的体积比约为6O％。据报道，这是加工钢件
时的有效体积比。在室温或高温叶，刀具的
横向断裂强度约为800MPa。
2刀具的几何参数
圈1所示为刀具的几何参数。不同切削
试验所用的刀具几何参数的数值，如负倒棱
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襄1 连续车肘试验车刀几何参数及切肘条件的进捧
宴 验 条 件 丰
刀儿何参数
(1) (2) (3) (‘)
负倒棱前舟NL(度) l5．25．30．35．40．45 35 35
负甜棱宽度 0．06 0
． 07． O．1．
W L L mm 0．2 0．2 0．2 0
．15． 0．2
刀尖半径r。(mm) 0．日 0．日 0．4．0．8．1．2．1． 6 0．日
0．o2．0．O$G．0．OG 研唐半径rH(mm) 0．05 1 0 O5 0
． 05 0
．08G． 0．1
前角NL，负倒棱宽度WL，刀尖圆弧半径r
以及研磨半径r 如表1中的(1)一(4)所示。
车刀研磨半径用800号研磨剂手工研磨，精度
为±0．01ram。除了确定WL对刀具耐用度影
响的实验之外，所用的负倒棱宽度相当大，
即WL=0．2ram， 该值比日本产的工业用刀
具的wL值(0．05~-,．0．06m／n)大得多。此
时的棱面已起着前刀面的作用， 已不同于一
般的例棱。且其前角值为NL加上一5。的刀杆
附加角度。
h
因1 车刀几何参数
3切削条件和刀具磨损确定
为了取代磨削，选用o．1mra／r1~4、进给
2
量和0．1nⅡn的小切削深度。在用NL2G。和
35。的刀具进行预试验的条件下切削速度取
100m／min(1．67m／s)。
刀具耐用度由测量后刀面磨损宽度vB和
工件的平均粗糙度R-确定， 其极限值取
0．8脚1。确定刀具耐用度的一组极限值取VB
=0．2Gram和RJ=0．8 m。VB为不包括边界
磨损的磨损带宽度。在切削长度L分别为50．
100、1000、1500和2000m 时， 测量上述两
个数值。当L大于2000m时，测量的间隔为
1 000m。刀一屑接触长度 由测量前刀面上
涂层被剥离的长度确定。月牙洼的磨损电
同时进行测量。刀具的磨损和破坏用扫描电
镜(SEM )检查， 切削力则用测力仪和数字
存储式同步示波器测量和记录。
。4 结果和讨论
4．1 NL和WL对刀具耐用度的影响
衡量刀具抗磨损性能的标准之一是刀具
达到其磨损限度时的切削长度L 。图2(a)所
示为L 与NL的关系。可以看出， 当NL=30
—35。时， 抗磨损能力最大。在相同的条件
下共进行3—5次试验， 结果表明， 在NL小
于3O。时，其结果波动很大。图3为Ra和切削
长度间的关系曲线。虽然NL=15。时，开始
切削阶段，表面粗糙度迅速增大，而其它刀具
则由于磨损使刀尖圆弧半径增大而在开始阶
段使R丑减至最小，随后，由于副刀刃沟槽磨
损的发展而健R．重新增大。可以从图4所示
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g不同切削阶段工件表面的横向粗糙度的变
化来观察刀具磨损形式的变化。以粗糙度作
为抗磨性能的一种指标，达到耐用度限度时
的切断长度被定义为刀具寿命k。 和NL
的关系如图2(b)所示，其倾向与图2(a)相
似， 即NL 35。左右时，L。也有最大值，且
在NL较小时，实验结果较分散。
鱼剖棱前角XL(度)
图2 车刀负捌棱前角与车刀耐用
度Ll(a)和Ll(b)的关系
0
Vci loom／miR
f：o．Imm／reV
t：0．Imm ，
：：2 NL(崖
w 0,2ram ：：
r口：0．粗m ● 25
一。_帖 ：435
4 8 I2 l6 2O
切 长 L (km)
图3 女倒棱前胄j不同时平均枉糙
虞南鹰R·和切州长鹰的苯枣
L【K丑】
0．o． ／ ＼ ^一 一 ^、 ／ ＼— — ＼
1．∞ 人八—^ — ／
4．60 、、 ， — ／
5．oD — ／ ／ 、— ／
5．∞ ，—^、／ ／、 — ／
—
l3．00 【 ∞ 、——／ — ~、．
阻4 切_削长度变化时，NL15。和
NL 35。的车刀车削的表面粗糙度比较
图5所示为进给量在O．05一O．15mm，r之
间时L 与w1_的关系。对于所有进给率，一
开始，L 随wL的增大而增大然后达到一常
数值。L 达到一常数值时的wL大约与 变
成一常值时相当。
负倒棱宽鏖W (mm )
图5 进给量变化时， 刀具耐甩度
L 与贞倒棱宽度w 的关系
●．2 rn和r“对刀具耐用度的影一
采用表l的实验条件(3)研究刀尖圆弧半
径r．对L 和L 的影响， 其结果如图6所示。开
始时，Lt随rt的增大而增大， 在r 大于
O。8Ⅱ 后达到一常值。r 小时L 值低是由于
此时切屑接触区窄且切屑变厚使刀尖温度升
高而导致热磨损的结果。温度的升高也可以
趴副刀刃由于氧化而使沟槽磨损加剧得到证
明，如图7的刀片的sEM照片所示。
在r丑=O．8ram 时L 2有最大值。r 大于
；
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】5·O
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lO．0
·
?-s
5‘O
2．5
O 0．5 ‘．0 】．5 2．0
刀尖毕径r (ram；
图6 刀具耐用度Ll和Lz与刀是
半径的关系
图 切削长度L=5．2k 时小刀尖
圆弧半径的车刀的刀刃的sEM照片
0．8ram时L。随r 的增犬而略有减小。这可能
是随着r 增大时，副刀刃的沟槽磨损严重gf
起的，如图8所彖 因为r 增大时使切屑变薄
引起所谓尺寸效应。副刀刃上的沟糟磨捐显
著。虽然，当rl=0．4ram时计算所得的表面粗
糙度平均值(R =f2／32，r丑≈0．78~m)约等
于耐用度限度R．=0．8#m，但在rl=0．4ram
时，表面粗糙度值应大于耐用度，因为实验
所得的表面粗糙度大于计算值。
采用表1的实验条件(4)研究刀刃研磨半
径r}I对Li和L2的影响如图9所示。在rH=
0．05mm时，刀具耐用度Ll和L：最大。与图
2所示的耐用度随NL的变化相似，当rH较小
时，实验数据波动很大。当rH=0．1mm时，
切削主要由研磨部分承担，与NL=45"的情
况相似， 刀具的耐用度缩短。从图中明显可
见， 最优的研磨半径为0．05ram。
为研究r}I小于0．O5mm时，实验数据显著
波动以及l刀具耐用度缩短的原因，用SEM对
未经使用的车刀进行检查。如图10N示，在
刀刃上可以观察到一些裂纹。这些裂纹是在
磨刀时切屑从刀刃上脱落形成的。其尺寸为
o．0l—O．03ram。当rI{=0．02ram时，这些裂
纹将不能在研磨时完全除去。这种崩缺的刀
刃将起着刀具磨损的起始点的作用，从而使
固8 刀刃的SEM 显微照片
00m／min，f 。·lmm／r 日=o．O5mm t—o．1~1$E1 (a)L一3．6km
． NL。l 5．。r口-0．8mm
(b)L l 5kin NL 35’，r 0．8mm．(c)L~t2km
．
NL=35 ，r 一1．em ”
4
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^
丑
、一
二
研瘩半径rⅡ(皿m)
图 车刀耐用度Li和L 2与矸摩
半径 的关系
图lO 车刀在使用前的崩刃情况
NL一35I．r日一O．02 mm．r m0．8ram
裹2 用于莲续车匍的刀具■ 优几何参数
35 I Wz>lo f 0．8 { 0．05
刀具耐用度降低。
4．8刀^几何参数的优化
为了在刀具制造中取得最大的经济效
益，cBN刀片应越薄越好， 此时， 需采用负
倒棱以增加刀片的韧性。但是， 负例棱宽度
应尽可能小一些，因为太大时，刀片的加工
困难蜡大。根据实验结果，CBs车刀的最优
几何参数如表2所示。
4．4用优化的车刀连续车斟
图l1所示为经过l到10kin长度的切削之
后．NL=15—45 的车刀前刀面横截面轮廓
的磨损变化。NL=1 的车刀，可以看到两种
不同的磨损方式 标以 ” 的刀具耐用度
较慨，在切削长度为1．2kin时， 刀刃已经严
重磨损。担标以“b” 以及有较大的负倒棱
前角的刀具， 刀刃的磨损较小。特别是负倒
棱为35。的车月，甚至切削长度达到15km后，
仍能保持相当锋利的刀刃(见图8(b))。按
刀刃磨损的不同可以分为两种磨损形式t标
以“a” 的NL：15。的车刀， 切削刃明显向
L(kin)
． ． ． ． ．． 一i 0
一■一1．2
～ 2．0
一一3．O
一●一4．5
，一’一5．0
——O一7．0
一●一10．0
图l1 负倒棱前角不同时， 刀刃轮
廓与幻削长度t ，关东
V 【('Om ／mlm f=0 1mm ／f
， t= 。． 【：Ⅱm ，
rH 0·OSmm-r =0．8ram NL ‘fa)l 5
(b)1 5’ (c)2 5．．(d)zs‘．(e 5。
l
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后磨损，而标以 的NL=】5 以及NL较
大的_生刀，在切削长度较长时仍能保持其刀
刃。前一种磨损形式中， 在切削刃较低部分
没有任何磨损时， 随着磨损的发展前角变
大， 造成刀尖变陡。从图11可见， 对各种
NL值的车刀， 在切削过程中前角值几乎不
变。
通常，切削力随着NL的增大而增大，
但对NL：15 的车刀 ”， 在切削开始阶
段， 当VB很小时就出现了切削力显著增大的
异常性质， 其切削力比vB达0．05mm的NL=
45。的圭刀还耍大。图12所示为NL=15。的
车刀“a” 在切削开始阶段切削力随时间变
化的曲线。可以看到切削力是步进式增大
的。对该情况下所用的刀片进行sEM检查可
见，前．后刀面上粘结着许多工件材料的微
粒及崩刃的痕迹(图13)。因此可以得出结
切削长度
图12 NL=15。车力切制力逛扭增大
图13 NL=15。，rH=0．05mm ，
r =0．8ram的车 经L=】7ram
的切岢j后的崩．7／
每
论。在切削过程的开始阶段，使刀具磨损的
作用机理是崩刃。它是在切削试验刚开始后
沿刀刃粘鳝的工件材料的微粒的剥离作用造
成的。刀刃出现崩刃后， 改变了刀刃的几I可
形状，引起了图12所示的切削力的步进式增
大。
CBN车刀的初期磨损阶段可以总结如
下t具有锋利刀刃(小NL)的车刀， 刀具
材料的微粒在刀尖处迅速剥落。由微观剥落
而形成的小坑有助于工件材料在其中产生粘
结。继续切削时，这些粘结的微粒提高了刀
一屑掳触面闻的摩擦系数并导致进一步的剥
落。粘结微粒减少了刀具材料的剥落量，但
进一步使凹坑扩大。可以认为崩刃是通过若
干次剥落发蛙的，因而使开始切削阶段切削
力随时间的变化呈现图12所示的形式。图l4
说明了上述的崩刃过程。
囤14 CBN车力崩刃过程示意图
结 论
连续韦削渗碳钢对，以改善车刀耐用度
和加工表面粗糙度为目标的cBN车刀的优化
几何参数如下t负倒棱前角NL=30~35。．
负倒棱宽度WL大于刀一屑接触长度， 刀尖
圆弧半径r =0．8mm。刃口研磨半径rH：
0．05mm。从刀具耐用度和加工表面粗糙度
方而考虑，利用这种优化的车刀完全可以用
车削代替磨削。实验结果表明，刀具的磨损
可以分为两个阶段，即初期磨损阶段和稳定
磨损阶段。在初期磨损阶段，特别是当采用
一
一
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