PCBN刀具在活塞销加工中“以车代磨”中的应用
PCBN刀具在活塞销加工中“以车代磨”中的应用
摘 要：在进行280活塞销的批量试制过程中，为了提高生产效率，我们调研选择使用了PCBN刀具。经过不断的摸索，基本掌握了应用PCBN刀具提高活塞销加工效率所需的一些基本条件（如加工系统刚性、刀具几何角度、切削参数等）以及一些特殊问题的处理。 “以车代磨”，对加工高硬度淬火件具有独特的优势，推广应用PCBN刀具，不仅能提高生产效率，降低生产成本，增加效益，而且还能降低工人劳动强度。
关键词：PCBN刀具 以车代磨 硬质零件 切削参数 280活塞销 推广使用
一、问题的提出
一直以来，硬质零件精加工主要是采用磨削加工方法。配件分厂在280活塞销开发试制过程中，加工活塞销外圆和内孔时，为了方便热处理控制及降低热处理变形带来的影响，在精磨工序前增加半精加工是非常必要的。而此时活塞销已经进行了淬火处理，外圆硬度达到HRC58以上，内孔硬度也在HRC45左右，试制时采用外圆磨床及内圆磨床分别对外圆、内孔进行粗磨加工。这种加工方式加工时间长（达3小时），能源消耗大、工人劳动强度高，因此工效低，尤其是磨削内孔时更加费时费力。为提高活塞销的加工效率，我们把目光转向了PCBN刀具。
二、PCBN刀具的优越性
聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具具有优良的性能，总体概括起来就是“加工范围广、性能稳定、使用寿命长”。在刀具行业中，PCBN刀具的发展很快，形成了PCBN的专业化、系列化、规模化，广泛运用于机械、化工、航天、船舶、电子等行业。
PCBN刀具的出现，使车削加工代替磨削加工成为了可能。据资料显示，采用PCBN刀具加工出来的零件甚至可以获得采用最优的磨削加工才能获得的零件尺寸及外形精度。分厂在进行280活塞销小批量试制的时候，为了提高生产效率，积极联系厂家购买PCBN刀具，经过实际的使用和摸索。终于让我们对PCBN刀具有了初步的认识。
1、PCBN刀具的性能特点：
1). 具有较高的硬度和耐磨性：PCBN刀具的硬度略低于金刚石，但远远高于其它高硬度材料，并且具有较高的耐磨性，特别适合加工高硬度材料，尤其是高硬淬火工件，在HRC45～70的硬度范围内的工件它都可以进行有效的切削加工。
2). 具有很高的热稳定性：PCBN刀头在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度，在高温状态下的切削性能十分稳定，因此PCBN刀具可以用比硬质合金刀具高3～5倍的速度来高速切削高温合金和淬硬钢，并保持切削性能基本不变。
3). 具有优良的化学稳定性：PCBN刀具在高温状态下不与铁系材料发生反应，并对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得多，这一点使其应用效果更加突出，尤其在加工过程中对提高、稳定加工面的质量尤为重要，甚至能够达到磨削加工的表面粗糙度。
4). 具有较好的导热性，因此PCBN刀具比较适合精加工。
5). 具有较低的摩擦系数，随着切削速度的提高，摩擦系数是减少的，因此PCBN刀具适合高速切削加工。
6). PCBN刀具切削淬硬钢时的金属软化效应，由于高温高速切削产生的热量使切削层金属软化、硬度降低而易于切削加工，实验证明，产生金属软化效应的条件是工件的硬度大于HRC50。
三、PCBN刀具在实际应用中的经验
从以上几点可以看出PCBN刀具与一般的普通刀具相比具有许多的优越性，很适合于活塞销的加工，对提高加工效率有很大的助益。因此，在280活塞销批量试制阶段，我们就决定应用PCBN刀具。下面谈谈该应用过程中的一些经验。
1.应用PCBN刀具进行加工，首先要保证加工系统有足够的刚性。
由于PCBN刀具适合于高速切削，因此系统刚性不足会极大影响加工质量和加工效率，甚至可能取得适得其反的结果。在加工280活塞销内孔时，我们选择了CA6140车床，以利用其装用的φ380卡盘能够将工件夹持更多，同时辅以中心架，较好的增加了加工系统刚性。最初，采用总长300mm的刀杆（伸出长度230mm），以图一次将φ40×220长的内孔一次装夹完成加工，但是应用中发现由于刀杆太长，刚性不足，导致内孔加工质量不尽人意，而且PCBN刀具磨损较为严重。后来改为总长246mm（伸出长度128mm）的短刀杆，采用两头接平车的方式加工，很好的解决了上述问题。虽然两头车并接平，增加了装夹次数，还有压表找正、接平，这些都降低了一些效率，但是能更好保证加工质量，而且相对于磨内孔（也是两头接平）来说，其加工效率数倍提高。
从以上过程可以看出，在应用PCBN刀具进行加工时，对加工系统的刚性进行优化是非常必要的，可以说也是成功应用PCBN刀具的一个前提条件。
2.优化装夹方式，尽量减少精加工余量
由于我们应用PCBN刀具主要目的在于取代280活塞销粗磨外圆工序，为精磨外圆做准备，因此“以车代磨”所加工出来的外圆尺寸、形状对精磨有很大影响。如果“以车代磨”加工出来的工件形状（主要是两端锥度）较差，则精磨外圆时难以保证0.004mm的圆柱度，要保证就得增加精磨前留量，这又与尽量减少精磨留量、提高精磨效率的期望相悖。有鉴于此，外圆“以车代磨”就不能象加工内孔那样两头车的方式，必需一次装夹完成加工。经过分析，我们在“以车代磨”加工活塞销外圆时采用和磨床磨外圆时同样的工装，即磨削芯轴，以芯轴两端中心孔定位。加工时，首件仔细找正，控制两头锥度即可（当然，车床本身的径向跳动要小）。这样装夹，系统刚性仍然很好，而且能够较好的控制形状和尺寸，尽可能的减少精磨余量，较好的实现了“以车代磨”的期望。
3.根据工件来选择合理的切削参数
应用PCBN刀具，就要充分发挥其优点，但是有时候工件的实际结构又限制了这种发挥。280活塞销的加工就存在这一矛盾，问题显得比较特殊。这是因为280活塞销在外圆到内孔的径向上有三个截面内各均布有3×φ10的油孔，这总计为9个的油孔使得外圆、内孔的圆柱面不再是连续的，在PCBN刀具切入和切出油孔边缘部位时要受到较大的冲击力作用。这种情况下，首先受到影响的就是PCBN刀具的刃磨角度和切削时选用的转速，如果刀具角度不合适、一味追求高速加工，就会造成PCBN刀具的崩刃。因而，摸索其中的平衡范围，既要保证一定的加工效率，又要保证刀具有较好的使用寿命。在多次试验后，我们选取了以下参数：
1）为使切削轻快而又有一定的抗冲击性能，PCBN刀具刃磨的几何参数选择为：前角γ0 =-5°，后角α0 =6°，主偏角κr=45°，刃倾角λs=-3°，刃口倒圆R=0.1mm。其中刃口倒圆极为重要，对降低刀具磨损和提高刀具抗冲击性能都有较大影响。
2）经试验，获得较理想加工效果的切削参数是：主轴转速n=120r/min，进给量f=0.08~0.12mm，切削深度ap =0.06~0.10mm。
4.切削冷却：在加工中保持PCBN刀头部位能够充分散热也是非常必要的，需要注意刀头部位切屑的清理，不要堆积过多不利于散热。但是，决不能进行强制冷却，否则将PCBN刀头将会发生崩裂。
四、结束语
综合而言，由于280活塞销结构上的特殊性，在上述应用过程中尚不能完全发挥PCBN刀具的所有优势，尤其在高速切削上受到限制较为明显。但是280活塞销加工中应用PCBN技术，实现“以车代磨”的期望基本实现，也取得了非常明显的效果。经初步计算，在应用PCBN刀具加工前，粗磨外圆需90min/件，磨内孔90min/件。在应用PCBN刀具实现“以车代磨”后，外圆只需40min/件，车内孔只需40min/件，单件节约工时100min。我车间现在280活塞销月产量基本稳定在200件，使用PCBN刀具“以车代磨”年节约价值为：18元/小时×200×12×100/60=72000元，其经济效益也是非常明显得。目前，我分厂正在开发240活塞销，该型活塞销外圆没有径向分布的油孔结构，将可以进一步提高切削速度和加工效率，使PCBN刀具的优良性能得到更大的发挥。
综合而言，PCBN刀具的应用潜力是巨大的，它为企业改进老化的生产工艺，提高生产效率提供了切实可行的方案。如果能很好的利用PCBN这种新型技术，大力推广使用PCBN刀具，势必会带来很高的经济和环境效益。而对于我们加工工艺师来说，积极摸索PCBN技术的应用，将它推广使用到其它硬质件的精加工中，在更广的范围内实现“以车代磨”加工，也是富有挑战性的一项工作。
主要参考文献：
1.《PCBN－面向21世纪的性能目标（上）》－《现代制造工程》2002年第4期
2.《PCBN－面向21世纪的性能目标（下）》－《现代制造工程》2002年第5期
3.《PCBN刀具的特点及实际应用》 －侯世香，高开运等 著
《现代制造工程 》2002第5期
