PCBN刀具刃口多指标表征方法及其切削性能研究.pdf

摘要

在精密加工中，刀具刃口对切削力的大小、工件表面质量、加工精度和刀

具寿命等指标有着决定性的影响，因此对刀具刃口进行表征和性能评价显得尤

为重要。刀具刃口表征方法多样，但是现有表征方法均忽略了刀具刃口微观形

貌特征。实际上，在切削时刃口和工件之间具有复杂的摩擦行为，而微观形貌

是决定相互作用表面之间摩擦特性的重要因素。本文从刀具刃口统一性能评价

标准入手，研究了反映刃口复杂特征的多指标表征方法。建立了非光滑刃口切

削仿真模型，研究切削用量对切削性能的影响规律。利用试验手段分析制备工

艺对刃口微观形貌的影响，研究刃口微观特征对切削性能以及刀具磨损的影响，

并对PCBN刀具失效机理进行了探究。本文主要工作内容如下所示：

(1)刀具刃口精准重构方法及表征

探究刀具刃口微观形貌对加工过程的影响，提出了基于贝塞尔曲线的刃口

精准重构方法，以刃口平均曲率半径、刃口形状系数及刃口表面粗糙度作为表

征指标，建立了反映刃口复杂特征的确定性表征方法。利用LSCM测量得到刃

口的高度数据，拟合了含有微观结构特征的刃口曲线。针对拟合刃口的粗糙度

进行了计算，并与实验测量值进行了对比。

(2)考虑刃口微观特征的刀具切削过程数值仿真研究

基于贝塞尔曲线拟合的刃口，建立了非光滑刃口切削仿真模型。基于此仿

真模型研究考虑刃口微观特征的刀具对切削力和切削温度的影响。

(3)PCBN刀具车削GCr15试验研究

设计并进行GCr15硬车削加工试验，利用三向测力仪及测温仪采集切削力

和切削温度信号。研究切削参数对切削力及切削温度的影响规律，试验结果与

非光滑刃口切削仿真模型、光滑刃口切削仿真模型的切削力和切削温度进行对

比，验证考虑刃口微观形貌的刀具切削过程数值仿真的精准性。

(4)刀具刃口制备工艺对切削性能的影响研究

利用磁流变抛光工艺对PCBN刀具进行钝化处理，研究磁流变抛光工艺参

数对PCBN刀具刃口微观形貌的影响，分析磁流变钝化工艺前后刀具微观形貌

的差异，阐明钝化过程中刃口形貌的演变机理；研究刃口微观形貌对切削性能

的影响规律；研究刀具刃口微观形貌对刀具磨损特性的影响规律，分析了刀具

的磨损机理。

关键词：刃口表征；刃口重构；硬车削；磁流变抛光；刃口微观形貌；刀

具磨损

Abstract

Inprecisionmachining,thetooledgehasadecisiveinfluenceonthesizeofthe

cuttingforce,thesurfacequalityoftheworkpiece,themachiningaccuracyandthetool

life.Therefore,itisparticularlyimportanttocharacterizeandevaluatethetooledge.

Therearevariouscharacterizationmethodsfortooledge,buttheexisting

characterizationmethodsignorethemicro-morphologycharacteristicsoftooledge.In

fact,thereisacomplexfrictionbehaviorbetweenthecuttingedgeandtheworkpiece

duringcutting,andthemicrostructureisanimportantfactordeterminingthefriction

characteristicsbetweentheinteractingsurfaces.Inthispaper,startingfromtheunified

performanceevaluationstandardoftooledge,amulti-indexcharacterizationmethod

reflectingthecomplexitycharacteristicsoftooledgeisstudied