魯浩遠(yuǎn) 何慧芬 吳旭陽(yáng)

摘 要：針對(duì)目前聚晶立方氮化硼刀具磨損所帶來(lái)的負(fù)面影響，文章從實(shí)踐角度入手，分析了聚晶立方氮化硼刀具使用的磨損現(xiàn)狀，并提出了壽命提升方法。結(jié)果表明，需與加工工件實(shí)際情況，來(lái)對(duì)提升使用壽命方法進(jìn)行選擇控制。

關(guān)鍵詞：聚晶立方氮化硼;刀具磨損;使用壽命

0引言：

聚晶立方氮化硼刀具生產(chǎn)加工的效果，需通過(guò)涂層刀具技術(shù)與調(diào)整刀具切削參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制。此前，應(yīng)對(duì)PCBN刀具的磨損現(xiàn)狀進(jìn)行分析，即在掌握磨損產(chǎn)生原因與作用機(jī)理情況下，使壽命提升控制工作開(kāi)展起到事半功倍效果。這樣一來(lái)，聚晶立方氮化硼刀具所處的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，就能以可持續(xù)狀態(tài)服務(wù)于所處行業(yè)，進(jìn)而推動(dòng)現(xiàn)代化建設(shè)的全面發(fā)展。

1研究聚晶立方氮化硼刀具磨損與壽命的現(xiàn)實(shí)意義

聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN），之后簡(jiǎn)稱PCBN，是在20世紀(jì)80年代被研發(fā)出來(lái)的一種超硬刀具材料。其作為硬度僅次于金剛石的刀具，與黑色金屬親和力較小，能夠在特定切削條件下實(shí)現(xiàn)精車代磨目標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程，刀具不可避免會(huì)出現(xiàn)磨損問(wèn)題，經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)，PCBN刀具磨損多集中在兩種形式，即前、后刀面磨損。這兩種磨損是在年節(jié)磨損、機(jī)械磨損以及擴(kuò)散磨損共同作用下形成，增加了壽命控制難度。由于PCBN刀具的使用成本較高，如壽命無(wú)法保障，將大幅提升生產(chǎn)建設(shè)的造價(jià)成本。而且刀具磨損也會(huì)降低加工工件的精度與表面質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至?xí)构ぜ?bào)廢，只能通過(guò)重新加工來(lái)補(bǔ)救。為改善這一現(xiàn)狀，進(jìn)而提高生產(chǎn)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與整體效益。相關(guān)人員應(yīng)對(duì)PCBN刀具使用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以找出提升刀具使用壽命方法[1]。

2聚晶立方氮化硼刀具的使用磨損現(xiàn)狀

2.1前刀面磨損

發(fā)生于PCBN刀具切削開(kāi)始階段的磨損，其作用形式是月牙洼磨損，由機(jī)械與擴(kuò)散磨損共同作用造成。究其原因，PCBN刀具是由黏結(jié)相與CBN燒結(jié)成的，開(kāi)始階段主要受機(jī)械磨損影響，體現(xiàn)為擦傷與輕微劃痕。作用機(jī)理為：工件切削時(shí)，刀具黏結(jié)相會(huì)先被磨掉，繼而暴露CBN晶粒。具體磨損位置的判斷，因切削工件過(guò)程刀具前刀面倒棱區(qū)以及高溫狀態(tài)切屑接觸的，所以，刀具與工件元素活躍度上升，使工件接觸區(qū)域切屑接觸區(qū)元素?cái)U(kuò)散，造成擴(kuò)散磨損形成。月牙洼磨損多發(fā)生在PCBN刀具前刀面倒棱上。長(zhǎng)此以往，隨著CBN顆粒剝落，刀具月牙洼磨損深度就會(huì)增加。對(duì)于前刀面的微崩刃與微裂紋問(wèn)題，是切削過(guò)程壓應(yīng)力較大造成的[2]。

2.2后刀面磨損

后刀面磨損與前刀面不同，其是在切削工件一段時(shí)間后出現(xiàn)，具體磨損形式為溝槽磨損。研究人員利用PCBN刀具切削淬硬鋼過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)因機(jī)械磨損才導(dǎo)致了溝槽磨損現(xiàn)象發(fā)生。究其原因，工件存在硬質(zhì)顆粒，其會(huì)在加工過(guò)程因壓力而弱化PCBN刀具黏結(jié)劑使CBN顆粒暴露出來(lái)。當(dāng)CBN顆粒被磨損剝落就會(huì)出現(xiàn)溝槽磨損。此外，經(jīng)對(duì)高速銑削灰鑄鐵加工過(guò)程情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)后刀面與工件接觸邊界除了受高溫影響，還受到較大壓力作用。這種情況，就導(dǎo)致接觸區(qū)出現(xiàn)熱應(yīng)力裂紋與應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致PCBN刀具后刀面形成構(gòu)造磨損。

3提升聚晶立方氮化硼刀具壽命方法

3.1涂層

由于涂層刀具技術(shù)運(yùn)用水平的不斷提升，其不僅能夠使刀具具備耐磨性與耐高溫性能，還能控制刀具與工件接觸摩擦因數(shù)。當(dāng)阻斷切削區(qū)熱量作用于刀具后，除了能夠規(guī)避切削工件因硬化層加工帶來(lái)的局部磨損，還能大幅提升PCBN刀具使用壽命[3]。現(xiàn)階段，涂層方法多采用物理氣相沉積法（PVD），其能夠?qū)⒕哂刑厥庑阅艿奈⒘Ｗ饔糜谛阅苄Ч桓叩哪阁w上，以提升其性能。研究人員認(rèn)為不同的PVD涂層所具備的刀具磨損機(jī)制不同，即AlCrN涂層，因自身的抗氧化性能搶，能夠作用前后刀面磨損量的控制;TiALN涂層，因機(jī)械性能好，可作用于PCBN刀具耐磨性的控制。

3.2切削參數(shù)

優(yōu)化切削參數(shù)是提升PCBN刀具使用壽命、降低生產(chǎn)成本與強(qiáng)化生產(chǎn)效率的有效方法。實(shí)際優(yōu)化控制過(guò)程，應(yīng)采用正交實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。某研究單位以利用PCBN刀具加工GCr15鋼過(guò)程為例，經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方差分析以及信噪比確定了切削刀具硬度、速度以及進(jìn)給量來(lái)降低給刀具壽命帶來(lái)的影響。具體來(lái)說(shuō)，就是將主軸轉(zhuǎn)速確定為580r/min;進(jìn)給量為0.06mm/r。同時(shí)，還確定了刀具切削速度、進(jìn)給量以及硬度對(duì)刀具壽命的影響百分比，分別為42.88%、24.22%、32.44%。結(jié)果表明，運(yùn)用上述刀具切削參數(shù)后，成功提升了其使用壽命，為生產(chǎn)效率提供了保障[4]。

值得注意的是，在優(yōu)化刀具切削參數(shù)過(guò)程中，相關(guān)人員還可采用遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，來(lái)提高切削用量確定的最佳效果，進(jìn)而使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到預(yù)期。但實(shí)際應(yīng)用階段，這兩種算法并未實(shí)現(xiàn)在PCBN刀具中的優(yōu)化運(yùn)用。為此，研究人員可結(jié)合其他刀具的參數(shù)算法經(jīng)驗(yàn)，來(lái)對(duì)PCBN刀具的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算過(guò)程提供依據(jù)。

由此可見(jiàn)，目前刀具使用切削參數(shù)計(jì)算缺乏針對(duì)PCBN刀具的方法，還要加大進(jìn)一步的科研力度，以強(qiáng)化工業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的設(shè)備運(yùn)行效率[5]。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，聚晶立方氮化硼刀具前、后刀面磨損的控制，應(yīng)結(jié)合加工工件情況選擇相應(yīng)的涂層材料與切削參數(shù)。如，采用物理氣相沉積法（PVD），其能夠?qū)⒕哂刑厥庑阅艿奈⒘Ｗ饔糜谛阅苄Ч桓叩哪阁w上，以提升PCBN刀具的使用性能;經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方差分析以及信噪比確定了切削刀具硬度、速度以及進(jìn)給量來(lái)降低給刀具壽命帶來(lái)的影響。事實(shí)證明，只有這樣，才能將最具適用性的刀具切削速度、硬度以及進(jìn)給量作用于生產(chǎn)加工過(guò)程，進(jìn)而提升生產(chǎn)建設(shè)效率，滿足行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展需求。故，業(yè)內(nèi)人員應(yīng)將上述分析內(nèi)容與科研結(jié)果更多地作用于聚晶立方氮化硼刀具的生產(chǎn)使用過(guò)程，以使其作用效果充分發(fā)揮出來(lái)，進(jìn)而提高工業(yè)化生產(chǎn)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]王丹，萬(wàn)軍.不同材料和刀尖圓弧半徑刀具加工TC4鈦合金的表面質(zhì)量及刀具磨損行為[J].機(jī)械工程材料，2019，43（04）：64-68.

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[3]劉思志，安立寶.聚晶立方氮化硼刀具磨損與壽命研究綜述[J].機(jī)床與液壓，2016，44（19）：168-173-191.

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作者簡(jiǎn)介：

第一作者，魯浩遠(yuǎn)（1989-），男，河南省許昌市人，民 族：漢 職稱：無(wú)，學(xué)歷：碩士研究生。研究方向：超硬刀具材料。單位：河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南 許昌 郵編：461500。

第二作者，何慧芬（1989-），女，河南省商丘市人，民 族：漢 職稱：無(wú) 學(xué)歷：碩士研究生。研究方向：主要從事超硬材料金剛石和立方氮化硼材料及制品的開(kāi)發(fā)研究。單位：河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南省許昌市長(zhǎng)葛市，郵編461500。

第三作者：吳旭陽(yáng)（1988-2），男，河南省漯河市人，民 族：漢 職稱：無(wú)，學(xué)歷：碩士研究生。研究方向：超硬材料合成及性能研究。單位：河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南 許昌 郵編：461500。