摘要：注射成型法制備光學(xué)透鏡工藝中所用到的不銹鋼鑄模鑲塊通常會(huì)用到立方氮化硼聚晶刀具（PCBN）來(lái)加工。在模具鑲塊上進(jìn)行球面或非球面加工時(shí)，切削速度隨著刀具向輪廓中心逐漸進(jìn)給而降至0。本論文對(duì)AISI 420不銹鋼超精細(xì)低速加工工藝中不同等級(jí)PCBN刀具的磨損性能進(jìn)行了研究。在加工的起始階段，前刀面上有細(xì)小的孔洞；受損表面相當(dāng)于斷屑槽且容易導(dǎo)致裂紋的形成。一旦出現(xiàn)裂紋，沿著晶界就會(huì)出現(xiàn)晶間斷裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：表面斷裂的出現(xiàn)和程度主要取決于前刀面的磨損激烈程度和切削力大小，這兩者因素又受切削溫度的影響。除了磨粒的導(dǎo)熱性外，刀具上磨粒的孔隙度、延展性和粘結(jié)力度對(duì)刀具斷裂阻力都有著重要影響。
       關(guān)鍵詞：PCBN刀具,加工,不銹鋼,磨損
1.引言
       刀具磨損對(duì)切削效率和加工表面有著重要影響。不少研究利用PCBN刀具對(duì)合金鋼進(jìn)行硬車(chē)削加工，研究發(fā)現(xiàn)磨損主要出現(xiàn)在刀具的前刀面和側(cè)刀面上，如圖1（a）、（b）所示。由BN分解或擴(kuò)散到碎屑中以及粘結(jié)相的再結(jié)晶而引起的模具磨損是刀具前刀面磨損的主要類(lèi)型。

 

       在多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，側(cè)刀面上的磨損是由工件冶金、刀具和周?chē)h(huán)境的化學(xué)相互作用和反應(yīng)引起的。Zimmermann等人在滲碳鋼高速切削加工實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于CBN和大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在側(cè)刀面上生成復(fù)雜的復(fù)合物，進(jìn)而導(dǎo)致刀具的硬度降低，耐磨性能下降。Shintani等人還發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中溫度升高會(huì)引起溝槽磨損。Chou 和Evans觀察到在加工硬化鋼時(shí)，微裂紋和疲勞會(huì)引起側(cè)面磨損。高速切削時(shí)，PCBN刀具中的結(jié)合劑會(huì)跟鋼成分發(fā)生反應(yīng)，從而降低工具磨粒的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而造成工具磨損。Luo等人研究發(fā)現(xiàn)工件中的硬質(zhì)顆粒會(huì)引起側(cè)面磨損。Barry和Byrne觀察到BN相和工件材料成分相互反應(yīng)會(huì)引起磨損并生成復(fù)合物，這種復(fù)合物能夠保護(hù)粘結(jié)相以防止發(fā)生擴(kuò)散磨損。Klimenko等人觀察到在PCBN刀具表面有非常微小的樹(shù)枝狀球形顆粒生成物。而Koing 和Neises則發(fā)現(xiàn)CBN磨粒在對(duì)鋼件的擴(kuò)散試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性。Naruki和Yamane在高溫?cái)U(kuò)散試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)CBN磨粒和純鐵之間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。Wang和Rajurkar發(fā)現(xiàn)切削過(guò)程中溫度升高會(huì)顯著降低刀具強(qiáng)度和耐磨性；經(jīng)過(guò)液氮冷卻處理后，壽命和性能得到明顯改善。另外，加工過(guò)程中產(chǎn)生的高溫還會(huì)降低工件強(qiáng)度，勁兒引起PCBN刀具側(cè)面磨損。以上加工實(shí)驗(yàn)都是在傳統(tǒng)車(chē)床上操作，切削速度、切割深度和進(jìn)給速率分別為＞80m/min、50μm、50μm/rev，如圖1（a）、（b）所示。近年來(lái)，一些研究利用超精準(zhǔn)機(jī)床在低速切削（44m/min）、低進(jìn)給速率（6μm/rev）和較小的切割深度（20μm）條件下利用PCBN刀具對(duì)STAVAX進(jìn)行加工并研究刀具的磨損情況。結(jié)果顯示，根據(jù)加工工件的硬度不同，刀具磨損會(huì)引起斷裂或溝槽磨損。
       注射成型法制備光學(xué)透鏡工藝中所用到的不銹鋼鑄模鑲塊通常會(huì)用到立方氮化硼聚晶刀具（PCBN）來(lái)加工。圖2為不銹鋼鑄模鑲塊示意圖。利用PCBN刀具在超精準(zhǔn)車(chē)床上對(duì)不銹鋼鑄模鑲塊進(jìn)行非球面輪廓加工。切割深度為微米，直徑不足5mm。加工出非球面輪廓后，在鑲塊上鍍上e-Ni。超精準(zhǔn)加工工藝中，前刀面和側(cè)面磨損對(duì)表面拋光和尺寸精度影響很大。

       在加工直徑為5mm的輪廓時(shí)，要使用低速主軸，即3000rpm；隨著切削刀具逐漸向輪廓中心進(jìn)給，切削速度從47m/min明顯降低到0。切削速度的變化可以引起碎屑的應(yīng)變硬化和切削溫度，進(jìn)而影響磨損率。刀尖磨損率的變化會(huì)影響刀具的表面粗糙度和加工輪廓的精確度。
       五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床在加工非球面輪廓時(shí)可以旋轉(zhuǎn)刀具，使用刀尖單點(diǎn)即可加工出整個(gè)輪廓；該加工條件下，形狀精確度受刀尖轉(zhuǎn)換角度的影響。圖三為刀尖從T轉(zhuǎn)移到T’時(shí)，加工出的非球面由aT轉(zhuǎn)換為a T’。刀尖轉(zhuǎn)換角度隨側(cè)面磨損而增大，為獲得一個(gè)精確的鑲塊輪廓，必須選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)牡毒哳?lèi)型和加工參數(shù)，使得刀具磨損保持在最小。本論文研究了PCBN刀具對(duì)STAVAX進(jìn)行低速、小切割深度的超精準(zhǔn)加工時(shí)的刀具磨損情況；特別是對(duì)不同類(lèi)型PCBN刀具的性能做了對(duì)比。

2.實(shí)驗(yàn)
       實(shí)驗(yàn)在Precitech CNC超精準(zhǔn)機(jī)床上操作，切削條件能夠得到精準(zhǔn)控制。切割深度和進(jìn)給速率可以精確設(shè)置到0.1μm、0.1μm/rev。表一為不同切割速度和切割深度下的加工實(shí)驗(yàn)。進(jìn)給速率為常量，5μm/rev。用測(cè)力計(jì)不間斷地對(duì)刀具上的切向力（Ft）和徑向力（Fr）進(jìn)行測(cè)量。Ft和Fr方向分別與刀具前刀面呈正交、相互平行。實(shí)驗(yàn)所用工件為AISI420不銹鋼（0.38 wt.% C, 0.9 wt.% Si, 0.5 wt.% Mn, 13.6 wt.% Cr, 0.3 wt.% V, balance Fe），硬度55HRC。

       切割深度為3μm時(shí)，最初的260m切削磨損十分明顯，隨后就變得穩(wěn)定。隨著切割深度增大，觀察到類(lèi)似的磨損趨勢(shì)，磨損值略有上升。當(dāng)切削速度從3.5m/min增大到44m/min時(shí)，側(cè)面磨損顯著降低; 切削速度從44m/min增大到130m/min時(shí)，側(cè)面磨損基本不再變化。圖六是切削速度為3.5m/min和44m/min時(shí)，不同切削深度下BN100、BN250、BN300和BN600刀具側(cè)面磨損對(duì)比圖。圖中可以看出，BN100、BN250、BN300刀具耐磨性基本一致，但比BN600刀具的耐磨性要低。

3.3刀具形態(tài)和工件表面
       圖8-12為BN100、BN250、BN300和BN600刀具加工AISI420不銹鋼圖。BN100刀具的前刀面磨損區(qū)出現(xiàn)坑洞和粗糙的表面損傷（切割距離1320m、切削速度3.5/44m/min）；坑洞距刀具切削刃有一定距離。當(dāng)切割深度從20μm降至3μm或者切削速度有3.5 m/min增至44 m/min時(shí)，表面斷裂程度有所降低。然而，當(dāng)切削速度繼續(xù)由44 m/min增至130 m/min時(shí)，所有切割深度測(cè)試中就不觀察不到表面裂紋。刀具的前刀面磨損主要是溝槽之類(lèi)的細(xì)小損傷，如圖10（a、b）所示。當(dāng)切削速度由3.5 m/min增至130 m/min時(shí)，磨損側(cè)面上的表面粗糙度顯著降低，如圖9（b）10（c）所示。
       加工表面的形態(tài)基本上不隨著切割距離變化，這說(shuō)明刀具磨損并不影響加工表面的形態(tài)。但在低切削速度3.5 m/min和較高切削速度44 m/min，130 m/min下加工出的表面形態(tài)有著明顯不同，如圖13（a-c）。3.5m/min條件下加工出的表面有明顯的坑洞和毛刺層。

4.結(jié)論
       PCBN刀具前刀面上的表面裂紋主要受切削力和磨損激烈程度影響。除了磨粒的導(dǎo)熱性能，氣孔率、延展性和結(jié)合強(qiáng)度對(duì)刀具的斷裂阻力都有重要影響。本研究建議提高結(jié)合劑含量并降低磨料粒度，這樣就可以減少氣孔率，提高延展性和結(jié)合強(qiáng)度，從而提高刀具的斷裂阻力。(編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng))