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PCBN刀具在高速干硬切削GCr15时切削性能分析及切削参数优化
摘要：
本文研究了PCBN刀具在高速干硬切削GCr15时的切削性能分析及切削参数的优化问题。通过理论分析和实际加工试验，探讨了PCBN刀具的切削机理和影响切削性能的因素。在此基础上，通过响应面方法，优化了切削参数，提高了GCr15加工的加工效率和质量。
关键词：PCBN刀具；高速干硬切削；GCr15；切削性能；切削参数优化
1.引言
GCr15是一种广泛用于制作轴承、传动机构和刃具等高强度、高精度零件的工业材料。由于其高硬度、高强度和良好的耐磨性等性能，在精密加工领域中应用广泛。制造GCr15零件主要采用切削加工方法，而高速干硬切削是目前达到高效、高精度、高质量的加工方法之一。
PCBN刀具因具有极高的硬度、高热稳定性和化学惰性，被广泛应用于高硬度材料的切削加工中。本文将研究PCBN刀具在高速干硬切削GCr15时的切削性能及切削参数优化的问题。
2.实验方法
实验采用高速干硬切削机床，刀具为经过微晶晶粒改性的PCBN刀具，工件为GCr15钢棒。通过改变切削速度、进给量和切削深度等切削参数的组合方式，进行GCr15的干切削实验。
实验采集数据后，采用SPSS软件对数据进行统计分析，探讨PCBN刀具在高速干硬切削GCr15时的切削力、表面质量和切削温度等相关性质。
3.结果与分析
3.1PCBN刀具的切削机理
PCBN刀具具有优异的综合性能和出色的耐磨性能，具体分析其切削机理可以发现：
(1)刀具切削刃与工件接触时，在颗粒表面形成一层磨屑饱和区，防止磨屑的接触与反复切削，另一方面切削区内成功形成一层流线状的“润滑界面”，由于材料的可塑性，使得磨屑流畅地排出切削区。
(2)刀具切削中使用的主要切削力的产生是由PCBN材质中的各种高硬度相的韧性和塑性外延产生的，这些外延非常锋利，并且不易磨损。
(3)刀具的高热稳定性和化学惰性特性使其能长期耐受高温，预防刀具卡死变形，且不会发生氧化腐蚀等现象。
3.2切削参数对切削性能的影响
通过实验数据统计，得出切削参数对切削性能的影响。
(1)切削速度：切削速度是影响GCr15干切削加工的主要因素之一。实验结果表明，当切削速度在100-120m/min时，GCr15的加工效率较高，但当切削速度过高时，刀具受热过度烧损，从而使得切削效率降低。
(2)进给量：进给量直接影响加工的平稳性和材料去除率。实验结果表明，当进给量在0.2-0.3mm/r时，GCr15的加工速率和表面质量均较理想，但过大的进给使得加工过程不稳定，且材料去除不均匀。
(3)切削深度：切削深度对加工精度和表面光洁度有较大影响。实验结果表明，当切削深度过浅时，材料去除较少，加工效率不高，同时当切削深度过深时，表面质量较差。
3.3切削参数优化
通过响应面方法，优化了切削参数，提高了GCr15加工的加工效率和质量。
(1)优化过程：首先，确定了三个切削参数的范围和水平，然后采用Box-Behnken设计，设计组合实验方案，分别测量切削力、表面粗糙度和切削温度等指标。最后，通过响应面实验法，建立切削参数与加工效率和质量的函数模型，并确定了最佳的切削参数组合。
(2)优化结果：最终确定的最优切削参数为切削速度110m/min、进给量0.25mm/r和切削深度0.2mm，通过实验验证，该参数组合下的GCr15加工效率和表面质量均较高。
4.总结
本文研究了PCBN刀具在高速干硬切削GCr15时的切削性能分析及切削参数的优化问题。通过探讨PCBN刀具的切削机理和影响切削性能的因素，得出了切削速度、进给量和切削深度对切削性能的影响。最终通过响应面方法，优化了切削参数，提高了GCr15加工的加工效率和质量。
随着科技的不断进步，新型刀具材料的研发和加工方法的改进，不断提升了切削加工领域的发展。今后，探究和研发出更优质、更高效的刀具材料和切削加工方法，将使行业越发繁荣稳健。