文

章

前

言

表面完整性对零件的可靠性、耐久性有很大影响，通常采用表面粗糙度、尺寸精度、表面层的冷作硬化层的厚度与冷硬程度、金相组织的转变和残余应力的分布等方面作为主要特征参数来衡量。

影响PCBN刀具在切削中表面粗糙度的因素很多，如切削用量、刀具几何参数、刀具材料、切削环境和机床系统振动影响等。

研究表明，刀具几何参数和切削参数是影响己加工工件表面粗糙度的最重要因素；刀具刃口的几何形状、刀具磨损和切削参数的选择对提高切削加工精度获得更好的表面质量以及延长刀具寿命有很大的影响。

01

理论表面粗糙度

在二维直角切削模型中，切削刃被看作几何学的线，它相对于工件运动时，理论上工件表面残留面积高度即为理论表面粗糙度。

当仅有刀尖圆弧部分参加切削时，工件表面残留面积高度如图1所示。

图中近似三角区域为理论残留面积，Rmax为残留面积高度，其高度直接影响已加工表面的粗糙度。

图1—表面粗糙度形成

由刀尖圆弧部分形成的残留面积时残留面积高度为：

式中，f为每齿进给量，r为刀具刀尖圆弧。

刀尖圆弧半径以及进给量对表面粗糙度有很大影响。

切削过程中，工件表面会发生较小的弹性变形，刀尖圆弧半径越小，刀尖对工件表面的挤压越小，使得工件表面产生的弹性变形越小，切削后，工件表面不能弹性恢复，从而增大了在已加工表面形成的峰谷之间的高度。

另一方面，较小的进给量也有利于高质量的表面生成，所以一般精加工和超精加工都采用较小的进给量。

但研究表明，切削加工时，进给量并非越小越好，当进给量过小时，使得工件表面更容易发生挤压和粘结，从而影响加工效果，获得的表面粗糙度也较大。

同时，实际切削加工时，由于机床振动、机床运动误差、工件材料的不同以及刀具刃口形状都会影响实际表面粗糙度。

原文试验在CA车床上进行，采用各种负倒棱参数的PCBN刀具切削V材质粉末冶金气门座圈，PCBN刀具刀尖圆弧半径r为0.4mm，切削速度v为m/min，进给量f为0.08mm/r，背吃刀量ap为0.2mm。

02

负倒棱角度对己加工表面粗糙度的影响

图2为使用四种负倒棱宽度的PCBN刀具得到的工件表面粗糙度随负倒棱角度的变化曲线。

图2—PCBN刀具负倒棱角度对表面粗糙度影响

03

负倒棱宽度对已加工表面粗糙度的影响

图3为三种负倒棱角度下，PCBN刀具切削时表面粗糙度随负倒棱宽度的变化曲线。

从图中可以看出，当负倒棱角度为-15°和-20°时，表面粗糙度均随着负倒棱宽度增大，呈现先增大后降低的趋势。

负倒棱角度为-15°的刀具在倒棱宽度为0.1mm时，Ra值达到最大，然后随倒棱宽度的提高而减小。

当负倒棱角度为-25°，随着负倒棱宽度增大，Ra先降低后逐渐增大。

主要是由于负倒棱角度较大，增加了切削时金属变形，且更容易产生金属软化效应，且积屑瘤更容易被切屑带走，所以随着负倒棱宽度增加，表面粗糙度降低。

但是负倒棱宽度的增大使刀具与工件和切屑之间的摩擦增大，可导致切削力迅速增大，因此表面粗糙度Ra值增加。

整体上看，我们发现三种负倒棱角度下，工件表面粗糙度随着负倒棱宽度增加呈先增大后减小最后增大的趋势。

此外，工件表面粗糙度出现下降时负倒棱宽度值随负倒棱角度增大而减小，负倒棱角度分别为-15°、-20°和-25°，表面粗糙度依次于负倒棱宽度0.15mm，0.10mm和0.05mm时出现下降。

主要是由于负倒棱角度越大，形成的积屑瘤越严重，而负倒棱宽度越小，导致积屑瘤的脱落更为迅速，所以出现负倒棱角度越大，表面粗糙度出现下降时负倒棱宽度越小。

有上述现象可知，PCBN刀具的负倒棱使得被切削材料受到的挤压变形更为严重，随着负倒棱角度增大，这种挤压变形现象更加严重，更容易形成切屑滞留，产生积屑瘤，影响己加工表面的顺利形成，从而使表面粗糙度增大。

负倒棱的促进了金属软化效应，有利于切削的顺利进行，切削温度的升高也使得积屑瘤更容易被切屑带走，这些都有利于减小表面粗糙度。

此外，负倒棱宽度越小，滞留负倒棱面上的积屑瘤也更容易脱落，随切屑流出，有利于提高加工表面质量。

在某一范围内，随着负倒棱宽度增加，切屑与工件已加工表面摩擦更为剧烈，导致表面粗糙度Ra值增加。

由此可见，工件表面粗糙度受负倒棱参数影响较为复杂，合理的选用PCBN刀具负倒棱参数对于提高加工质量有重要的意义。

当负倒棱宽度为0.15mm时，较高的切削温度有利于金属软化效应，较大的负倒棱宽度使得刀屑接触区较为稳定，有利于保持加工表面粗糙度，加工效果较为理想。

04

进给量对已加工表面粗糙度的影响

图4为负倒棱角度-20°时，四种负倒棱宽度条件下PCBN刀具切削加工后，工件表面粗糙度的变化曲线。

图4—PCBN刀具进给量对表面粗糙度影响

从图4中可以看出，当负倒棱宽度为0.05mm及0.15mm时，工件表面粗糙度随着进给量增加而增大，这种结果与一般切削试验相同。

一方面随着进给量增加，残留面积高度Rmax变化越来越大，所以表面粗糙度增大。

同时，随着进给量增加，切削力随之增大，工艺系统的振动增加，导致表面粗糙度增加，同时副后刀面与己加工表面挤压易产生材料微观隆起，工件表面残余应力增加，影响表面粗糙度，且较小的进给量情况下，积屑瘤和鳞刺得到了有效的抑制，可以降低表面粗糙度，这几方面共同的作用导致了工件表面粗糙度随进给量增加而增大。

但是负倒棱宽度为0.1mm及0.3mm时，工件表面粗糙度随着进给量的增加出现先上升后下降，且负倒棱宽度为0.3mm时，工件表面粗糙度整体更为理想。

由于负倒棱宽度的不同，使刀尖处切削温度不一样，负倒棱宽度为0.3mm时切削温度较高，产生金属软化效应，有利于提高加工表面质量，从而使表面粗糙度较好。

由以上可以看出对于不同负倒棱宽度的PCBN刀具，进给量对气门座圈已加工表面粗糙度的影响并不一致，主要由于负倒棱宽度直接影响了切削温度，从而改变了积屑瘤的产生和脱落，从而对于表面粗糙度影响较大。

对于进给量较小时，负倒棱宽度为0.05mm的表面粗糙度最小；当进给量为较大时，负倒棱宽度为0.3mm的PCBN刀具的加工表面粗糙度最佳，因而生产加工中，PCBN刀具负倒棱宽度的选取需要根据进给量f的大小确定。

“文章

小结

本章主要研究PCNB刀具切削V材质粉末冶金气门座圈时负倒棱参数及进给量对加工工件表面粗糙度的影响，进行了分析，得出如下结论：

(1)随着PCBN刀具负倒棱角度增大，切削时气门座圈材料受到挤压变形增大，更容易造成切屑滞留，产生积屑瘤，从而影响己加工表面的顺利形成，使工件表面粗糙度增大。

(2)随着负倒棱宽度增加，工件表面粗糙度呈先增大后减小最后增大的趋势。

此外，由于负倒棱角度越大，形成的积屑瘤越严重，而负倒棱宽度越小，导致积屑瘤的脱落更为迅速，所以出现负倒棱角度越大，表面粗糙度出现下降时负倒棱宽度越小。

(3)不同负倒棱宽度的PCBN刀具，进给量对于工件表面粗糙度的影响并不一致。

当负倒棱宽度为0.05mm和0.15mm时，工件表面粗糙度随着进给量增加而增大。

当负倒棱宽度为0.1mm和0.3mm时，工件表面粗糙度随着进给量的增加出现先上升后下降。

(4)生产加工中，合理的选用PCBN刀具负倒棱参数对于提高加工质量有重要的意义，PCBN刀具负倒棱宽度的选取需要根据进给量f的大小确定。

本章中切削气门座圈试验时进给量f为0.08mm/z，PCBN刀具负倒棱宽度为0.05mm时获得的表面粗糙度较为理想。

曲轴加工工艺-平衡与抛光篇

负倒棱宽度与角度影响综合分析之二：切削力影响篇

曲轴加工工艺-磨床篇

负倒棱宽度与角度影响综合分析之一：PCBN刀片选用原则综述