D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.03.007 1986年9月 北京钢铁学院学报 No.3 第3期 Journal of Beijing University Sept.1986 of Iron and Steel Technology 立方氮化硼刀具破损问题的探讨（工） 顾佩华赵景华 周其焜 徐淑彬 曲开宏 (机制教研室) 摘 要 立方氮化硼(CBN)刀具在加工合金铸铁的实际切削中破损问题十分严重。生产 中要求找出有效持挡以改变这种现象。本文根据弹性力学的原理，推导出了刃 口区的应力分布，并在此基础上进行了光弹性模拟试验和实际切削试验，理论 推导与试险结果基本吻合。当其它切削条件一定时，刀具前角由正值变为负值 时，极限应力点由拉应力区移向压应力区，并根据实测数据计算出径向应力由 正值变为负值.用两种不同前角的CBN刀具加工同一根合金铸铁，无论从刀具 寿命或破损率及形貌上均可表明，采用本文给出的几何参数的合理性，从而找出 了合理的前角数值，此外，论述了选取负倒楼的必要性。为进一步研究CBN刀具 的切削性能和破损机理奠定了基础。 关键词：氨化硼，刀具，刀具破损 On the Fracture Problems of CBN Cutting Tools I Gu Peihua Zhao Jinghua Zhou Qikun Xiu Shubin Qiu Kaihong Abstract Cubic Boron Nitride (CBN)cutting tools have been found to exhibit brittle fracture serious during machining alloy cast iron(HRc 58).This pa per introduces the results of metal cutting and photoelastic tests performed to determine optimum rake angle,in accordance with the stress distribution analyzed by using the theory of elasticity.The theoretical analysis is basi- 50
年 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 立方氮化硼刀 具破损问题的探讨 工 顾佩华 徐淑彬 赵景华 曲开宏 机制教研室 周其媲 摘 要 立方氮化硼 刀具在加工合金铸铁 的实际切 削中破损问题十分严重 。 生产 中要求找 出有效措施以改变这种现象 。 本文根据弹性力学的原理 ，推导出了刃 口 区 的应力分布 ，并在此基础上进行了 光弹性模拟试验和 实际切削试验 。 理论 推导 与试验 结果基本吻合 当其它切削条件一定时 ， 刀具前角由正值变为负值 时 ，极 限应力点由拉应力区移 向压应力区 ，并根据实测数据计算出径 向应力由 正值变为负值 用两种不同前角的 刀具加工 同一根合金铸铁 ，无论从刀具 寿命或破损牢及形貌上均可表 明 ， 采用本文给出的几何参数 的合理性 ，从而找出 了合理的前角数值 此外 ，论述 了 选取负倒棱的必 要性 为进一步研究 刀具 的 切 削性能和破损机理奠定了基础 。 关祖词 氮化硼 ， 刀具 ， 刀具破损 弓 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－53x．1986．03．007
cal agreement with the experimental results.The maximum stress point mo- ves to compressive stress,depended on the experimental data,when nega- tive rake angle substituted for positive one and other cutting conditions kept fixed,Besides,tool life is longer and fracture of tools is improved as well.On stress analysis and experiments,the optimum rake angle is de- fined and necessity of negative first face land has been discussed briefly for brittle tools. Key word: Cutting tool,Cubic Boron nitride,Fracture. 前言 t 超硬刀具立方氮化硼(CBN)的脆性破坏问题十分严重，在大量连续切削中由于 破损使刀具寿命过早完结。 通过观察认为，刀具破损受机床振动及某些随机因素影响外，与切削时刃口区的应力 分布和性质有关。本文基于弹性力学原理，推导出刃口区的应力分布，并依此进行切削试 验和光弹性模拟试验，试图找出刀具的合理几何参数，为今后研究CBN刀具的切削性 能及破损机制提供基础。 1切削模型的简化及边界条件的处理 为简化理论分析，可假设：直角自由切削，刀具足够锋利，忽略后刀面与工件接触 面的作用，其力学模型见图，由于作用在前 刀面上的正压力和摩擦力的分布情况及比值 难以确定，用一组合力即： P=∫qx'dx F-∫xax x)J 取代分布力如图2所示，既简化了数学处 理，又便于测量切削力，对刃口区进行应力 x)b 分析。由图3得出边界条件为： 图1正交自由切削力学模型 」=0 =0 000=±2 r00=± Fig.1 Mechanical model of orthogonal cutting 2 刃口区的应力分析 用弹性力学的应力函数法〔6〕，求解切削部分的诸应力分量。据量纲分析，对图 8所示的模型，假设应力函数中是的某一函数乘以Y的一次幂，即 51
， ， ， ， ， ， 前 口目 口 留二， 超硬刀 具立 方氮化硼 的脆性破坏 问题十分严重 ， 在大量连续切削 中 由 于 破损使刀 具寿命过早完结 。 通过观察认 为 ， 刀具破 损受机床振动及某些 随机 因素影响外 ， 与切削时刃 口 区的应力 分布和性质有关 。 本 文基于弹性力学原理 ， 推导 出刃 口 区的应力分布 ，并依此进行切削试 验和光弹性模拟试验 ， 试 图找 出刀具的合理几 何参数 ， 为今后研究 刀具的切 削 性 能及破 损机制提供基础 。 切 削模型的简化及边界条件的处理 为 简化理论分析 ， 可假设 直角 自由切 削， 面 的作 用 ， 其力学模型 见 图 ， 由于作 用在前 刀 面上 的正压 力和 摩擦力 的分布情况及比值 难 以确定 ， 用 一组合力 即 刀 具足够锋利 ， 忽略后刀 面与工件接触 ﹄ ，、声，口 、产、 丁 ， 一 「 。 ， ， 取代分布力如图 所示 ， 既 简化 了 数 学 处 理 ， 又便于 测量切 削力 ， 对刃 口 区进行应力 分析 。 由图 得出边界条件为 义 图 正交 自由切 削力学模型 士 考 五 ‘ 口二 士 髻 丫 刃 口 区的应力分析 用 弹性力学 的应力 函数法 〔 〕 ， 求解切 削部分 的诸应力分量 。 据量纲分析 ， 对 图 所示的模型 ， 假设应力函数中是 的某一函数乘以丫的一次幂 ， 即
中=yf(0) (1) 将(1)式代入相容方程(2) （++0)=0 (2) 得到 r3 ag0+280+0)]-0 (3) dθ4 求此常微分方程后，得 f(日)=Acosθ+Bsin0+0(Ccos0+Dsin6) (4) 代入(1)式 中=AYcose0+Bysine0产9(Ccos0+Dsin0) (5) 删去(5)式前两项不影响应力，国此，只须取， =Y0(Ccoe0+Dsin0) 其中，C、D为待定常数。 由应力函数与应力分量关系式(6)，并代入 ,=跨+ 92中 0g= 0Y2 (6) Tn=tm--9Y ($) 边界条件，得到 0,=- 2p(sincoe0 cossine Y8+sinB B-sinB 29{器.产部9]7） /2 B YB+sinB 0g=0 Tyo=Ter =0 在前刀面处，即0=一月处， 2 图2简化后的力学摸型 Fig.2 Simplified mechanical model B+sinβ B-sinB YB+sinB B-sinB (8) 实际上在刀一屑接触区σ与t均不为零而应为og=一q(x')和x0=-f(x)7),只是离 开接触后才为零。一般超硬刀具的抗压强度远高于抗拉强度。因此，使σ，在前刀面处取 52
小 将 式代 人相容方程 二 十 一行夕 一 上 口 吕 一 二一 ， 也 日 “ 得到 ‘ 一 旦铃黔 」一 ‘ ” 〕 尹一打 ﹄一 产、户占 求此常 微分 方程后 ， 得 二 代入 式 小二 丫 。 ， 再。 。 。 。 十 。 删去 式前两项不影响 应力 ， 囚此 ， 只须取 ， 小二 其 中 ， 、 为 待定常 数 。 由应 力 函数与 应力分量 关 系式 ， 。 、 。 告 告 · 币 路 并代人 ，“ 中 丫 下户曰岛 夕 ，‘ 二 。 ， 一 － 、 －一 ， 、 丫 「 万砰 一 户 鱼纽、 夕 边 界 条件 、、 ， 得 到 。 一 竿 一 琴〔 一 专 · 。 日 日 十 干 · 一日几 万日一 李 · 专 · 勿 材 ， 。 丫。 。 ， “ 在前 刀 面处 ， 即 日一 日 〕 璧 丫 一 一 价 图 简化后的力学模型 三 ‘ ， 叮 一 丫 乒 · 今 一飞 · 。 飞 日 尹 日一 日 ‘些兰争 十 三恤 ， 兰 日。 一 日 日一 日〕 ﹄ 且一 广﹄ · 实际 上在刀一屑接触 区伪与叭，均 不为 零而 应为 。 二 一 ‘ 和二 、 。 二 一 〔 ’ ， 只 是 离 开接触后才为零 。 一般超硬刀 具 的抗压强度远 高于 抗 拉强度 。 因此 ， 使 ，在前刀 面处 取
负值比较合理。若要确定O,必须知道P和F值。由图 3可知，在正交自由切削条件下，PF与F,和F, 有如下关系 P=F,cosY。-F,sinYo F=F.sinY。+F,cosY。 (9) 其中，F,为主切削力，F,为径向分力。当切削条 件一定，由测力仪测出F,和F.分量，再由(8) 式求出oro 3.试验设备及条件 图3简化后的各力之间关系 Fig.3 Relation of simplified forces 3.1切削力试验 以上虽然导出了应力分量的表达式，但P和F均为未知，因此需进行切削试验，测 出切削力，以确定刃口区的应力状态。 试验机床：650MM牛头刨床， 3500 试件材料：45中碳钢， 3000 刀具材料：W18Cr4V, .42500 刀具角度：a0=10°，Y0=20°，Y0=0°， 2000 Y0=-0°，Y0=-30°， 切削条件：a:=5,8mm,f=0,1mm/str, f=0.2mm/str; 1000 测试仪器：八角环式铣削双向测力仪， 500 Y6D一3A型动态电阻应变仪，配用SC一16光 线记录示波器， 0 48121620 由测得标定曲线（图4），采用回归分析 lleight of peaks of the 方法，求出光高与切削力关系式。 light wave,mm F.=(1.89+16.07h)×9.81(N) ·图4八角环测力仪的标定曲线 相关系数：Y=0.9999 Fig.4 Calibraled curves of octagonal ring F,-(-4.42+25.82h)×9.81（N) dynamometer 相关系数：Y=0.9994 3.2刀具寿命试验 根据理论分析和光弹性模拟试验的结果，进行实际切削试验，测定刀具寿命和破损 率，验证其结果的可靠性。 试验机床：C620一1型无级变速车床 涮试仪器：XJP一10型数字晁示仪和SLGP一11型转速表测量主轴转速，用JLC型 小型测量显微镜测门具磨损： 刀具材料：立方氮化硼硬质合金复合刀片性能见表1； 刀具角度：Y0=-5”,:a5=6,a0=6.5入，=-5°，K,=75K:=15°Ye=0.13~ 53
负值比较合理 。 若要 确定 丫必须 知 道 和 值 。 由 图 可知 ， 在正 交 自由 切削条件下 ， 和 与 和 ， 有如下关 系 一 。 一 ， 。 二 · 丫 。 ， 丫 。 其 中 ， 为主切削力 ， ， 为径向分力 。 当切 削 条 件一定 ， 由测力仪 一 测 出 ， 和 分量 ， 再 由 式求 出叭 。 试验设备及条件 切削力试验 以 上虽然导 出了应力分量 的表达 式 ， 出切削力 ， 以确定 刃 口 区的应力状态 。 试验机床 牛头刨 床 试件材料 中碳钢 ， 刀具材料 ， 图 简化后的各力之间关系 三 但 和 均为未知 ， 因此需进行切 削试 验 ， 测 刀 具 角度 。 ， 丫。 ” ， 。 。 ， 丫。 一 ， 。 一 多 切 削条件 ， ， 二 ， 。 ， 测试仪器 八 角环式铣削双 向 测 力 仪 ， 一 型 动 态 电阻 应变仪 ， 配 用 一 光 线 记录示 波器 ， 由测得标定 曲线 图 ， 采用回 归分 析 方 法 ， 求 出光高与切 削 力关 系式 。 二 义 相关 系数 ， 二 一 又 相关 系数 丫 二 刀具寿命试验 一 一 巧 」 ‘ 计 咖卿灿 ， 、 耐词剔一闷勺翔︸· 自 ， 图 八角环测力仪的标定曲线 ， 饥 率 ， 飞 根据理论分析和 光弹性模拟试 验 的结果 ， 进行实际 切削试验 ， 测定 刀 具寿命和破 损 验证 其结果 的可靠性 。 试验机床 一 型 无级 变速 车床 测 式仪器 一 塑数 字显示 仪和 一 型 转速表 测量 主轴 转 速 ， 用 型 小 型 测量 显微镜 测刀 具磨损 刀 其材料 立 方 氮 化硼 ‘便 质合 能复合 刀 片性 能 见表 刀 具 角度 。 二 一 “ ， 。 。 一 只 扮 。 石 。 几 。 一 。 ， “ 二 “ 丫
0.2mm,Y0=7°影 表1立方氨化硼刀片机械物理性能 Table 1 Mechanical physical properties of CBM tool vickers- Young's Thermal conductivity Linear expansion Thormal Pecific Chemical inertia hardness modulus coefficienta coefficient stability gravity to ferro-group Hv,X108Pa ×10Pa W/m℃ ×10-6/℃ g/cm3 elements 4500 71 2,.1×102 4.7 1400 3.48 good 工件材料：硬镍合金铸铁，性能见表2。 表2硬镰合金铸铁的化学成分与机械性能 Table 2 Chemical composition mechanical properties of alloy cast iron Chemical composition, Mechanical properties Tensile Bending Rock well Si Me Ni Cr M strength,X106 pa strengthX106pa bardness,HRe 3.2~3.60.30.60.3～0.63.82~4.12.2~3.070.5 400~500 270-340 ±58 *化学成份及机械性能数据均由石家庄水泵厂提供 3.3光弹性试验 为了直观定性地了解刃口处的应力状态和验证理论推导的可靠性，进行光弹性： 验。 试验装置：4091一2型大型光弹仪。 试件材料：刀具由环氧树脂6101制成，工件材料是铅， 刀具角度：a0=10°，Y0=20°，Y0=0°，Y0=-10°，Y0=-30°， 切削条件：a。=1.5mma,=4mm 4 试验及结果的分析 4.1切削力试验 试验结果见表8 表3 切削力数 据 Table 3 Date of Cutting force (N) Rake angle Feed Y0=20 Y0=0° Y0=-1" y0=-3° mm/reV, Fz Fy Fz Fy Fz Fy Fr Fy 0.1 1063.5 368,9 1417.0 730.4 1754.5988.6 1786.61401.7 0,2 2349,1 730.4 2702.61246.8 2750.81505.0 2509.81763.2 ◆ork piece:45 Tool material:W18Cr4V 54
， 丫。 ” 表 立方氮化硼 刀 片机械物理性能 丫 卜 尹 ， ， ‘ 。 ℃ 。 一 ℃ 位 ℃ 。 舀 一 。 。 工 件材料 硬 镍合金铸铁 ， 性能 见表 。 表 硬裸合金铸铁 的化学成分与机械性能 。 也 岌 如 ， 多 ， 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 。 ， ‘ ‘ ， ， 士 化学成份及机械性能数据均 由石家庄水泵厂提供 石 玉 光弹性试验 为 了直观定性地 了解刃 口处的 应力状 态和验证理论推导的可靠性 ， 进行 光 弹 性 撼 验 。 试验装置 试件材料 刀具角度 切 削条件 一 型 大型光弹仪 。 刀 具由环氧 树脂 制 成 ， 工 件材料是铅， “ ， “ 。 。 ， 一 一 一 试验及结果的分析 切削力试验 试验结果 见表 表 切 削 力 数 据 下 下。 下 一 二 下。 一’ 。 。 。 。 。 一。 。 。 。 一一。 。 。 。 。 。 。 。 ， 下 台