文章

前言

切削力主要与刀具几何参数以及切削用量有关，可以在一定程度上反映刀具加工初期的切削性能，特别是当PCBN刀具负倒棱参数发生变化时，刃口钝化方式对切削力的影响更是立竿见影。

本期文章，作者主要研究PCBN刀具负倒棱参数对切削力的影响，以找到最佳的负倒棱参数，使PCBN刀具性能最佳。

PCBN刀具切削时，负倒棱的存在使其切削刃处楔角增大，散热能力大大提高，但是由于刃口变钝，被切削的金属变形增大，使切削力大小改变，而且负倒棱使刀刃的受力面积发生改变，由直线刃受力变为面刃受力，使得单位面积内处所受切削力也随之改变。

因此，负倒棱参数对于切削力的影响也较为复杂。

切削力的来源

在切削过程中，由于刀具对工件材料剧烈的挤压作用，使得切削层材料，切屑和工件及加工表面材料均发生弹性变形及塑性变形；同时由于刀具与切屑、工件之间具有相对运动，接触表面之间就会有摩擦力的产生。图1、锋利刃口切削力模型

（1）

切屑作用于前刀面上力，主要包含法向力Fn和切屑与前刀面间的摩擦力Ff。

（2）

剪切面上有一个沿剪切平面的剪切力Fs和垂直剪切平面的法向力Fns；这两对力的合力应为Fr，表示切削过程中的切屑形成力。

其中Fr又可以看做时Fx和Fy的合力，Fz是沿切削方向的主切削力，Fy为与Fz垂直的切削分力，分别为切深抗力和进给抗力。

图1中φ是剪切角，β是摩擦角：γ0是刀具前角，ac切削层厚度，ach为切屑厚度。

当负倒棱宽度较小时，负倒棱面与前刀面都与切屑相互摩擦，此时，合力Fr可以被看做是负倒棱的上的刃口合力Fe和作用于前刀面中的力Fq的矢量和。

对于大部分以应用技术为目的的读者，大家不需要劳神记录这么多代号，我也会删减原文中微观量化分析内容，只为大家定性介绍变化趋势，对于喜欢研究原理的同学，还是推荐大家读论文原文。刀具倒棱参数对切削力的影响本章切削试验在干式切削条件下进行，研究PCBN刀具在切削V材质粉末冶金气门座圈时负倒棱宽度、负倒棱角度以及进给量对于切削力的影响，各切削参数：切削速度v为m/min，进给量f为0.08mm/r，切削深度ap为0.2mm。负倒棱角度对切削力的影响

图2反映了四种负倒棱宽度下PCBN刀具切削V材质粉末冶金气门座圈时切削力Fx，Fy和f随PCBN刀具负倒棱角度变化规律。如图2(a)、(b)、(c)和(d)中所示，切削过程中主切削力足始终大于其余两个方向的力，此外，由于PCBN刀具负倒棱的存在，进给抗力Fy也较大。

图2、PCBN刀具负倒棱角度对切削力的影响

当负倒棱宽度较小时，如图2(a)和(b)所示，随着负倒棱角度的增大，切削力呈逐渐增大的趋势。因为切屑流出时，经过负倒棱面以及前刀面。随着负倒棱角度的增大，PCBN刀具对工件的挤压程度增大，刀尖处工件材料变形严重，并且加剧了切屑与负倒棱面的摩擦，导致刃口合力Fe增加；另一方面，由于负倒棱角度增加，使切屑在前刀面的堆积，逐渐形成积屑瘤，改变了切屑流动方向及速度，使得切屑与前刀面接触长度减少，使得Fy出现下降。负倒棱宽度对切削力的影响图3反映了三种负倒棱角度的PCBN刀具切削V材质粉末冶金气门座圈时切削力Fx、Fy和Fz随PCBN刀具负倒棱宽度的变化曲线。

图3、PCBN刀具负倒棱宽度对切削力的影响

从图3中可以看出，在三种负倒棱角度下，随着PCBN刀具负倒棱宽度增加，切削力Fx，Fy和Fz都出现先增大后减小最后再增大的趋势，且最后增长的幅度不明显，其原理如下：当负倒棱宽度从0.05mm增加到0.10mm，刀屑接触长度改变，切屑卷曲程度加大，故切削力增大；当负倒棱宽度继续增大时，由于刀屑接触面间摩擦力增大，切削热增多，加剧了金属软化效应，同时由于切削温度升高，负倒棱面上的积屑瘤软化被切屑带走，所以切削力大幅度降低；当负倒棱宽度增加到一定程度时，负倒棱面成为负前刀面，刀屑接触长度将保持稳定，所以出现了切削力下降后又缓慢增长的现象。以上现象说明PCBN刀具的负倒棱参数对切削力的影响具有多面性：一方面，负倒棱的存在使得切削刃的锋利性降低，加工时导致被切削材料受到严重挤压，且负倒棱区域更容易引起切屑的滞留，从而使切削力增大。随着负倒棱角度的增大，这种挤压现象更加严重，使得切深抗力明显增大。另一方面，负倒棱也会影响切削温度，从而影响被切削材料的金属软化效应，改变被切削材料的切削难度。

负倒棱角度和负倒棱宽度对于切削温度的影响略有差别：

随着负倒棱宽度的增加，刀屑接触长度增加，切屑与前刀面之间的摩擦加剧，切削热在接触区大量聚集，引起切削温度不断提高，促进了金属软化效应的产生，使被切削材料更加容易切削，同时刀尖处的高温条件使得切屑流出更加顺畅，有利于减小切削力。而随着负倒棱角度增大刀屑接触长度减少，且更容易产生积屑瘤，从而改变切屑的流速以及切屑形状，也就改变了切削过程中的散热速率，所以切削热也会有所差别，所以影响切削力的大小。进给量对切削力的影响

图4、进给量f对切削力的影响

从图4中可以看出随着进给量增大，切深抗力Fy和主切削力Fz都呈现明显的增长趋势。导致这一现象的主要原因是由于直角切削过程中，切削深度和进给量决定了切削面积的大小，进给量增大，切削面积增加，被切除的金属材料增多，从而切削力增大；进给抗力B在负倒棱宽度为0.05至0.10mm时，增长较为缓慢。当负倒棱宽度大于0.15mm时，进给抗力Fx随进给量的增大而增大，且负倒棱宽度为0.3mm时，Fx增长幅度明显增大，主要是由于随着负倒棱宽度较小时，由于此次试验PCBN刀具前角γ0为0°，进给抗力Fx随进给量变化较小，随着负倒棱宽度的增加，刀屑接触长度增加，公式中刃口合力Fe所占比例逐步增加，故Fx随进给量增加而增大，且增长趋势越来越大。

参考文献《PCBN刀具负倒棱对其硬态切削性能研究》

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

曲轴加工工艺-滚压篇

倒棱新结构：渐变倒棱-制造方式篇

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