CBN含量对PCBN车刀切削性能影响的模拟与实验研究①

邹 娟，成照楠，邹 芹，，李艳国，王明智，齐效文

（1.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004）

聚晶立方氮化硼PCBN（Polycrystalline cubic Boron Nitride）车刀硬度仅次于聚晶金刚石PCD（Polycrystalline diamond）车刀，具有更高热稳定性和化学稳定性，比PCD车刀更适合加工黑色金属，比硬质合金和陶瓷车刀更耐用，加工效率更高，并且有媲美磨削的加工表面质量［1－3］。有关PCBN刀具材料及其切削性能的模拟与实验研究是超硬刀具研究领域的热点之一。为了提高PCBN车刀性能，国内外学者做了大量研究［4－14］，主要集中在材料性能测试及市售PCBN车刀切削磨损的研究上，而制造不同成分PCBN材料车刀并检验加工性能的相关报道很少。本文以有限元模拟和实验相结合，对不同立方氮化硼（CBN）含量的新型PCBN材料和市售材料制作的车刀切削性能进行评价。

1 实 验

前期工作中，本课题组通过使用非化学计量比TiN0.3和AlN为结合剂，合成了几种不同CBN含量的高熵化合物结合剂PCBN材料［15］，发现其具有相当高的热稳定性和耐磨性，其中CBN含量（体积分数）80%的PCBN材料硬度达到32.38 GPa［16］。本文根据车刀结构优化结果［17－18］建立有限元仿真模型，首先应用Deform软件模拟不同CBN含量90°刀尖角PCBN车刀精车45＃淬火钢外圆面时刀尖与工件的应力场；然后分别用自制和市售PCBN材料制造车刀，精车45＃淬火钢外圆面，并对刀尖进行SEM扫描分析，比较刀具的切削性能。

1.1 仿真模型与边界条件

选取外圆车削常用的焊接式90°刀尖角车刀，使用三维软件建立PCBN车刀和45＃淬火钢工件1∶1几何模型，如图1所示。刀具结构参数为：前角γ0＝0°、后角a0＝10°、主偏角κr＝40°、副偏角κr′＝50°、刃倾角λ0＝0°、刀尖圆弧半径rs＝0.5 mm、钝圆半径ρ＝0.1 mm。在不影响模拟结果的前提下简化几何模型以提高运算效率。

图1 Deform车削仿真几何模型与简化模型

模拟试验所用自制PCBN材料和45＃淬火钢工件的性能见表1。

表1 PCBN材料与45＃淬火钢的性能

仿真试验选用切削速度vc＝250 m／min、进给量f＝0.1 mm／r、背吃刀量ap＝0.25 mm。车削模拟选择拉格朗日增量方式，模拟类型选择变形和热传导，变形求解为Sparse求解，并选用Newton⁃Raphson迭代。设置环境温度为20℃，干切削的切削液传热系数为0 W／（m2·K）、摩擦系数为0.3［19］，刀尖与工件表面传热系数为4.5×104W／（m2·K）；仿真步长设置为4 800步、时间长为0.002 s。PCBN车刀和工件采用自适应网格划分技术，PCBN车刀单元网格数为50 000，工件网格数为20 000，模拟获得应力场结果。

1.2 车刀切削实验与表征分析

分别使用CBN含量（体积分数）50%和80%的自制PCBN材料制成焊接式90°刀尖角车刀，对比使用同等CBN含量的市售PCBN材料制成的同型车刀，以车削速度v c＝250 m／min、进给量f＝0.1 mm／r、背吃刀量a p＝0.25 mm［16－17］在数控车床上完成45＃淬火钢外圆面加工，车削距离500 m。车削实验后，分别对4种车刀的刀尖进行SEM分析，获得微观结构照片，评价两类PCBN车刀的性能。

2 结果与讨论

2.1 车刀切削模拟结果与分析

模拟90°刀尖角PCBN车刀精车45＃淬火钢外圆面，得到稳定车削时车刀与工件的应力场结果见图2～3。对比车刀应力场可知，2种CBN含量的PCBN车刀受力情况基本一样，应力最大值点集中在刀尖靠近主切削刃的前刀面上，这是因为前刀面与切屑流接触承受主切削力［20］，其中CBN含量50%的PCBN车刀应力极值略高。工件变形区的应力场形式基本相同，应力呈梯度变化，最大值位于刀尖挤压工件变形处，吃刀方向应力值较大。

图2 CBN含量50%应力场模拟结果

图3 CBN含量80%应力场模拟结果

主切削力随时间变化统计结果见图4。可见不同CBN含量的PCBN车刀精车45＃淬火钢外圆面时主切削力变化基本一致。

图4 主切削力模拟结果

2.2 车刀实验切削结果与分析

焊接式90°刀尖角PCBN车刀见图5。刀尖使用PCBN材料，刀体材料为硬质合金。各车刀详细信息见表2。

图5 实验所用PCBN车刀

表2 实验用PCBN车刀的材料信息

在车床上完成PCBN车刀加工45＃淬火钢工件的切削实验，4种车刀的刀尖SEM图见图6。由图6可见，1号车刀磨损区宽度约80μm，刃缘有轻微月牙凹磨损；2号车刀磨损区宽度约50μm，磨损轻微且范围很小，月牙凹不可见；1号、2号车刀刀尖前刀面上的凸起是由于黏接了工件材料。3号车刀磨损区宽度约130μm，刃缘有明显磨损；4号车刀磨损区宽度约90μm，刃缘有较明显月牙凹磨损。根据磨损程度，4把车刀耐磨性由高到低排序为：2号样品＞1号样品＞4号样品＞3号样品。2号车刀耐磨性相对较好，但韧性相对较差。

图6 PCBN车刀切削后刀尖SEM图

实验时2号样品车刀有一只发生崩刃，如图7所示。从图7可以看到，车刀刀尖沿副切削刃方向断裂，由于几把车刀加工用量参数是相同的，表明2号样品韧性相对较差。

图7 2号样品崩刃效果

2.3 讨 论

结合仿真试验数据，可知不同CBN含量的PCBN车刀在加工过程中车刀受力没有明显区别，主切削力变化相似，说明同样结构参数的PCBN车刀在相同的切削用量条件下使工件材料发生变形的情况是近似的，但会使刀具产生不同程度磨损。平均主切削力实测值与模拟值对比见图8。实测值约大于模拟值10%，这是车削过程中金属瘤在前刀面聚集导致摩擦加剧，以及设备稳定性造成的。市售PCBN材料制作的车刀平均主切削力较小与其磨损程度较大有关，随着磨损量增加，实际切削用量逐渐减小。自制PCBN材料在原TiN0.3和AlN结合剂基础上，添加微量组分TaC、WC、VC和ZrC等碳化物［16］，显著改良了PCBN烧结体的韧性和耐磨性。自制CBN含量50%的PCBN车刀实验结果较优，从使用效率看，具有较高的经济效益。自制CBN含量80%的PCBN车刀韧性相对较差。

图8 实测与模拟平均主切削力对比图

3 结 论

1）通过Deform软件对CBN含量50%和80%的焊接式90°刀尖角PCBN车刀精车45＃淬火钢外圆面仿真分析可知，CBN含量对主切削力影响不显著。

2）CBN含量增加，PCBN材料硬度和耐磨性增强，韧性降低，CBN含量50%的自制PCBN车刀综合性能较好。

3）对比自制及市售PCBN材料制作的车刀精车45＃淬火钢外圆面后刀尖磨损情况，在CBN含量相同的情况下，自制PCBN材料车刀的性能较优。