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摘要：堆焊钴基合金具有良好的耐磨性、耐高温和耐腐蚀性。目前对于堆焊钴基合金的加工，通常采用的方法包括磨削和硬质合金刀具低速车削。本文选用聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）对堆焊钴基合金进行切削加工，采用4因素4水平的正交试验方法，研究了不同的切削用量和刀具刀尖圆弧半径对工件表面粗糙度和加工时切削力的影响规律。
关键词：堆焊钴基合金；PCBN；切削加工；试验
堆焊钴基合金具有良好的耐磨性、耐高温和耐腐蚀性，因而广泛应用于对表面质量有特殊要求的工件中。对于一些特殊类别的零部件（如石油、钢铁等工业领域中的密封阀门、轧辊以及石油管道等），在其生产过程中通常需采用等离子弧堆焊技术，在工件表面熔覆一层钴基合金，以此提高工件表面性能，降低生产成本，延长零部件的使用寿命。
堆焊钴基合金具有优良的使用性能，但其硬度高、不均匀、导热性差，属于典型的难加工材料。切削加工中堆焊层的不均匀性和弥散分布的硬质点将加剧刀具磨损，甚至造成刀具破损。此外，加工过程中产生的大量切削热使得刀具与工件接触处极易发生化学反应，造成刀具的热化学磨损，进一步降低刀具耐用度。
目前对于堆焊钴基合金的加工，通常采用的方法包括磨削和硬质合金刀具低速车削。磨削加工成本高，生产效率低，而且切削液的大量使用造成严重的环境污染，不符合现代生产中“绿色加工”的理念，因而并不是理想的加工方式。采用硬质合金刀具低速车削加工方式，不仅表面质量差而且效率较低，难以满足高效高质量的加工要求。因而提出通过PCBN刀具车削代替磨削以实现堆焊钴基合金的高效率、高质量、绿色环保的加工方法。
本文选用聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）对堆焊钴基合金进行切削加工，采用4因素4水平的正交试验方法，研究了不同的切削用量和刀具刀尖圆弧半径对工件表面粗糙度和加工时切削力的影响规律，并采用离差分析法对其影响程度进行评估，为以车代磨加工堆焊钴基合金的方法提供新的理论和试验依据。
一、试验条件及方案
试件基体材料采用SUS316不锈钢，其表面堆焊了一层司太立Co12钴基合金粉末，堆焊后的工件由基体和堆焊层组成，尺寸Φ198mm×260mm。试验的车削对象为工件的堆焊层，堆焊层厚度为5mm，硬度约为52HRC。
刀具选用CNGA1204,BZB6000牌号的PCBN刀具，其工作角度见表1。刀具倒棱参数为0.15mm×-20°，试验方案设计见表2。
表1 刀具工作角度
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表2 试验方案
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二、试验结果及分析
1、切削力试验结果及分析
切削力对切削机理的研究具有重要意义。研究切削力与切削用量、刀尖圆弧半径之间的关系，由试验结果得到切削参数对切削力的影响曲线。
在传统切削理论中，基于背吃刀量对切削变形及切削区散热效果基本不产生影响这一前提，认为背吃刀量变化时，单位切削力及单位体积散热量基本保持不变；同时，随着背吃刀量的增大，切削层面积及散热体积均成倍增大。因此，增大背吃刀量，切削力基本成正比例增大，切削温度基本保持不变。
试验工件材料为堆焊钴基硬质合金，其硬度高、脆性大，导热性极差，在切削加工过程中会产生大量的切削热，随着背吃刀量的增大，散热体积虽然仍成比例增大，但各处散热效果变差。虽然刀—屑接触宽度随背吃刀量成比例增大，但由于材料导热性差，切屑与前刀面之间摩擦热仅集中在刀—屑塑性接触区域，由切屑两侧的刀—屑弹性接触区向外扩散的热量基本不变，即可以认为该处散热效果变差，刀具切削区温度随着背吃刀量的增大将升高，又因温度的弱化作用，单位切削力将减小，从而造成切削力与背吃刀量的变化不成正比关系。
2、表面粗糙度试验结果及分析
以表面粗糙度作为表面质量的衡量指标，研究切削用量和刀尖圆弧半径对表面粗糙度的影响，由试验结果得到切削参数对表面粗糙度的影响曲线。随着进给量增加表面粗糙度随之增加，进给量的增加使得工件表面残留材料高度增加，从而使粗糙度增大，与传统的切削理论一致。随着刀尖圆弧半径增大，粗糙度值呈先小幅减小后明显增大的变化趋势。采用车削加工堆焊钴基合金获得的工件表面粗糙度值均较低，说明利用车削加工获得的加工质量较好，能够实现以车代磨。
3、采用离差分析法进行影响程度评估
采用离差分析法研究各切削参数对切削力及表面粗糙度影响程度的大小。离差是指一组数据与其平均值差的平方和。离差的大小反映数据分散程度，进一步反映了试验因子对各指标的影响程度。
表3 各水平离差值计算结果
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由计算结果比较可得，背吃刀量对进给力的影响最大，进给量对背向力、主切削力、表面粗糙度的影响最大。
三、小结
通过正交试验研究了BZN6000立方氮化硼刀具对堆焊钴基高温合金精加工的切削过程，得出了各切削参数对切削力与工件表面粗糙度的影响规律。
1、随着背吃刀量的增大，表面粗糙度最开始基本无变化，当达到一定值（ap＞0.15mm）时，表面粗糙度随背吃刀量的增大呈先增大后减小的趋势；切削力呈增加趋势，但是其增长趋势并不成正比例关系；
2、随着切削速度的提高，表面粗糙度呈先减小后增大的变化趋势，切削力整体降低；
3、随着进给量的增大，工件表面粗糙度增加；整体切削力增大，但是同样不成正比例关系；
4、随着刀尖圆弧半径的增加，表面粗糙度随之增加，主切削力和背向力呈小幅的先减小后增大的变化趋势，进给力无明显变化；
5、由离差分析法分析可知，背吃刀量对进给力的影响最大，进给量对背向力、主切削力、表面粗糙度的影响最大。
参考文献
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