Journal of Manufacturing Processes：利用倒棱处有无微坑织构PCBN刀具对球墨铸铁的加工

发布日期：2025-05-30

研究类论文

发表期刊：Journal of Manufacturing Processes

中科院1区 (TOP)    IF: 6.2

Comparative analysis of cutting performance and dead metal zone in ductile iron machining using PCBN chamfered tools with and without micro-pit texture

Xuan Geng, Jinkai Xu*, Zhanjiang Yu*

Received 27 September 2024; Received in revised form 13 March 2025; Accepted 19 May 2025

Available online 22 May 2025

DOI：10.1016/j.jmapro.2025.05.047

耿璇，许金凯*，于占江*

长春理工大学

Geng X, Xu J, Yu Z. Comparative analysis of cutting performance and dead metal zone in ductile iron machining using PCBN chamfered tools with and without micro-pit texture [J]. Journal of Manufacturing Processes, https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.05.047

在PCBN刀具切削球墨铸铁的过程中，切屑极易粘结在刀具表面，造成刀具过早磨损，对刀具寿命和加工表面质量造成负面影响。刀具表面织构化技术可以促进切屑脱粘，是提升刀具性能的有效方法。然而不恰当的织构设计会加快刀具磨损、不利于切屑脱粘，因此合理的织构参数对于提升刀具的切削性能具有重要意义。本文针对PCBN刀具特有的倒棱特征，对比分析了在刀具倒棱上制备/不制备微坑织构对于PCBN刀具切削性能的影响，通过开展球墨铸铁正交切削有限元模拟，分析了无织构刀具(T0)、倒棱上有微坑织构分布的织构刀具(T1)、倒棱上无微坑织构分布的织构刀具(T2)的刀具应力、切削温度以及切削死区的形成过程，然后通过球墨铸铁棒料外圆车削实验，分析了切屑粘结、刀具磨损以及加工表面质量，并对加工过程中产生的织构自润滑现象进行了解释说明。综合分析有限元仿真与切削实验，结果表明，微坑织构可以有效减少刀具表面应力集，降低前刀面温度。同时，微坑织构刀具可以减少刀/屑接触面积，促进切屑从倒棱流向前刀面，并有助于切屑脱粘。研究发现，T1刀具倒棱上的织构会阻碍切屑脱粘和散热，从而对加工表面质量产生负面影响。在T0、T1、T2刀具中，T2刀具表现出最佳的切削性能。                              

CBN 刀具，球墨铸铁，表面微织构，有限元分析，切削性能

1.开展对切削死区形成过程的有限元模拟，并分析了在切削过程中切削死区与微坑织构的相互作用。

2.解释说明了在切削过程中产生的“织构自润滑”现象。

为适应全球日益增长的环保需求和践行可持续发展战略, 干切削作为一种绿色加工技术受到广泛关注，具有良好的应用前景。干切削在加工过程中不使用切削液,可以避免因使用切削液而造成的环境污染，达到清洁化生产的目的，对保护环境、节省能源、降低制造成本具有重要意义。目前在机械加工领域，以使用立方氮化硼(CBN)刀具进行“以切代磨”的干式硬态切削加工技术为典型代表。CBN刀具因其具有较高的硬度、良好的耐磨性和化学惰性，常用于铸铁材料的加工，但在使用CBN刀具切削球墨铸铁时，由于切削中产生的高温会使切屑软化，且球墨铸铁具有良好的延展性和塑性，导致切屑更容易粘附在刀具表面，对刀具的切削性能产生负面影响。目前刀具表面织构化是一种极具发展潜力的刀具改性技术。大量的研究结果表明，在刀具表面制备微织构，可以达到降低切削温度、减少切屑粘附，提升刀具的切削性能。然而不恰当的织构设计会加快刀具磨损、不利于切屑脱粘，因此合理的织构参数对于提升刀具的切削性能具有重要意义。许多研究结果表明，相较于微织构的形状和尺寸，微织构在刀具上的分布位置在更大程度上决定了织构刀具的切削性能。因此，有必要探究在CBN刀具表面适合制备织构的分布位置，以及进一步分析不同的织构位置如何影响刀具的切削性能。                  

1.基于ABAQUS有限元仿真软件,模拟PCBN刀具对球墨铸铁的切削过程，对比分析了在切削过程中，无织构刀具、倒棱上有微坑织构分布的刀具(T1)和倒棱上无微坑织构分布的织构刀具(T2)的刀具应力和切削温度；模拟了切削死区的形成过程，阐述了切削死区的形成机理，并探讨了织构与切削死区的相互作用；优化了刀具表面织构设计并找出了最优织构参数，为 CBN刀具球墨铸铁切削实验提供理论依据。

图1 刀具应力云图(a)T0刀具 (b)T1刀具 (c)T2刀具

图2 刀具应力变化曲线(a)刀尖 (b)倒棱 (c)前刀面

图3 刀具温度云图(a)T0刀具 (b)T1刀具 (c)T2刀具

图4 刀具温度变化曲线(a)刀尖 (b)倒棱 (c)前刀面

图5 切削死区的形成过程

图6 切削死区温度、应力分布云图 (a)T0刀具切削死区温度云图 (b) T0刀具切削死区应力云图 (c) T1刀具切削死区温度云图 (d) T1刀具切削死区应力云图

2.利用表面微织构纳秒激光加工系统，实现了微坑织构激光高质量加工，制备的微坑重铸层较小，圆度较好，形状接近真圆，完成了不同参数(T1、T2)微坑织构刀具的制备。

图7  (a)微坑织构 (b)重铸层 (c)微坑深度

图8  (a)无织构刀具 (b)T1刀具 (c)T2刀具

3.通过PCBN刀具加工球墨铸铁的外圆干车削实验，以刀具的抗粘结性、刀/屑接触状态以及工件的表面粗糙度作为刀具切削性能的评价标准，利用扫描电子显微镜对切削过程中的刀具前刀面、后刀面形貌进行观测，使用Mahr粗糙度测量仪对工件的表面粗糙度进行测量，对比分析了不同的织构参数对刀具切削性能及加工表面质量的影响，解释说明了切削过程中产生的“织构自润滑”现象，评价了具有最佳切削性能的刀具。

图9 刀具前刀面形貌(a)切削5次(b)切削10次(c)切削15次(d)切削20次

图10 刀/屑接触状态(a)不同接触面积示意图(b)刀/屑接触面积(c)前刀面切屑粘结面积(d)倒棱切屑粘结面积

图11 石墨颗粒经过微坑织构时的变化过程

图12  (a)工件(b)不同刀具切削工件的表面粗糙度(c)各组表面粗糙度方差

通过对无织构刀具(T0)、倒棱上有微坑织构分布的刀具(T1)和倒棱上无微坑织构分布的刀具(T2)切削球墨铸铁开展有限元模拟和切削实验，对比分析了这三种刀具的切削性能。得出了以下结论：

（1）在切削过程中，微坑织构通过吸收和分散刀具表面应力，有助于减少刀具表面的应力集中。同时，在刀具前刀面上制备微坑织构可以有效降低前刀面的切削温度，与无织构刀具相比，T1、T2织构刀具前刀面温度分别降低了8.42%和11.56%。然而，由于刀具倒棱处的切削死区在加工过程中会有部分被挤入微坑织构，增加切削死区与刀具间的摩擦，导致T1刀具的刀尖和倒棱处的温度分别上升2.66%和4.77%，这表明在倒棱上制备微坑织构会使该区域的温度升高，并不利于微坑织构发挥减粘散热作用。

（2）微坑织构可以减少刀/屑接触面积，促进切屑从倒棱流向前刀面，有利于切屑脱粘。在20次切削过程中，相较于无织构T0刀具，T1、T2刀具的刀/屑接触面积分别减少7.9%和13%。T1、T2刀具的倒棱切屑粘结面积分别减少18.3%和29.6%，而前刀面上的切屑粘结面积分别增加了17.3%和29.9%。此外，微坑织构刀具可以降低工件表面粗糙度，从而提高加工表面质量。T2刀具加工工件的表面粗糙度相较于T0刀具平均降低20.59%，而T1刀具由于倒棱上制备了微坑织构，不利于切屑脱粘和散热，会影响工件表面质量，在第15次切削时，工件表面粗糙度较T0刀具上升13.45%，其他时刻则平均降低10.1%。

（3）在切削过程中，部分石墨颗粒从工件中脱落，并随切屑沿刀具前刀面流动。当这些颗粒流经微坑织构时，在织构边缘和切屑流的共同挤压下石墨颗粒破碎，并被切屑流压成片状，覆盖在微坑织构周围。石墨作为一种固体润滑剂，有助于减小刀/屑间的摩擦并促进切屑流动，使微坑织构在切削过程中产生自润滑效果，让织构持续发挥更好的作用，减少刀具磨损。

 (4) 综合分析有限元仿真和切削实验，结果表明，在PCBN刀具倒棱上制备的微坑织构不利于织构发挥切屑脱粘、刀具散热和促进切屑流动的作用，在T0、T1、T2三种刀具中，T2刀具表现出最佳的切削性能。