PCBN刀具硬度高、化学性能稳定、耐磨性好，与硬质合金刀具相比具有寿命长、加工效率高的特点，所加工的工件表面质量好、加工精度高，具有广阔的发展前景，在发达国家使用量所占比重越来越大。但是在金属切削过程中的刀具磨损会降低加工效率，增加生产成本，甚至会为操作人员带来危险。刘献礼等通过PCBN刀具精密切削材料淬硬钢GCr15的试验深入研究了刀具磨损特性，并从白层现象、表面粗糙度等方面分析了PCBN刀具切削GCr15的加工表面质量。Steven Y.Liang等更深层地定量化探索了PCBN刀具的磨损机理，把PCBN刀具磨损时会发生的磨损现象（如扩散磨损、粘结磨损、磨料磨损等）与切削参数、刀具和工件材料硬度、切削区域受力受温情况等参数相结合，并用函数表示出来。计伟等通过大量试验研究了PCBN刀具切削镍基高温合金GH706的失效过程。在这些研究基础上，本文对刀具磨损进行量化，通过改变刀具磨损量进行切削，同时研究了磨损量对切削过程的影响。
1 建立切削有限元模型
通过有限元仿真软件ABAQUS建立二维有限元仿真模型，在建模的模块中画出所需要的刀具和工件，划分网格后在自建材料库中选择所需材料，再将其装配到一起，形成二维切削有限元模型。为了减少仿真时间，同时又能保证计算的准确性，仿真时采取了局部网格划分，对切削区域（即工件上半部分）的网格划分比较密（见图1）。刀具网格划分为258个单元和275个节点，在刀尖处进行网格细化。在仿真时对工件底部、左侧以及右侧不与刀具接触的部分进行固定约束。
图1 ABAQUS二维切削有限元模型
为研究刀具磨损对切削过程的影响，分别建立了5个切削模型，刀具磨损量分别设为0、0.05mm、0.1mm、0.15mm和0.2mm，将前刀面月牙洼磨损近似成圆弧，即圆弧半径分别为0、0.05mm、0.1mm、0.15mm和0.2mm。其余切削参数均设为一致，切削速度v=188m/min，进给量f=0.1mm/r，切削深度ap=0.2mm。
2 仿真结果分析
（1）刀具磨损对切屑形态的影响
在切削过程中，刀具的磨损对切削力、切削温度甚至切屑的形态都会有影响，图2为不同刀具磨损量对应的切屑形态图。
图2a为刀具没有磨损时的切屑形态，图2b为刀具磨损量0.05mm时的切屑形态。可以看出：刀具磨损量较小，与刀具无磨损时相比，在切屑与刀具磨损接触的位置温度有所升高，切屑变形略微增大，但是切屑的形态基本无变化。图2c是刀具磨损量为0.15mm时切屑的形态。可以看出，切屑受刀具磨损的影响，切屑变形增大，且切屑和刀具磨损接触位置的温度升高明显，切屑的锯齿化程度变大，并且锯齿变得和缓。如图2d所示，当刀具磨损量达到0.2mm时，锯齿化程度变得更剧烈，锯齿的产生频率也在降低，并且由于刀具磨损变大的原因，切屑与刀具的接触面积和摩擦作用增大，切屑和刀具磨损接触位置的温度升高更明显，切屑的变形程度也更大。
(a)VB=0
(b)VB=0.05mm
(c)VB=0.15mm
(d) VB=0.2mm
图2 不同刀具磨损量时的切屑形态
（2）刀具磨损对切削温度的影响
从上述分析及图2可以看出，切削温度随刀具磨损的增加而呈上升趋势。图3是切削区域的温度随切削时间的变化曲线。可以看出，随着切削的进行，切削温度越来越高，切削刚开始时温度波动比较大，这是由于刀具刚切入工件时切削状态还不太稳定，当切削逐渐稳定后，切削温度随之稳步升高，并且升高趋势越来越小。
图3 切削温度随时间变化曲线
图4为刀具最大温度值随刀具磨损量的变化曲线图。磨损量越大，温度越高，上升趋势越明显。这是因为磨损越大，切屑与刀具接触面积越大，摩擦力越大，所产生的摩擦功越大，转化成的热能就越多。切削热的另一部分来源是材料的弹塑性变形，这两个原因导致了磨损量增大，切削温度增高。
图4 刀具最大温度随刀具磨损变化趋势
（3）刀具磨损对切削力的影响
图5a和图5b分别是无磨损时和VB=0.2mm时Y方向切削力的仿真图。可以看出：当刀具无磨损时，切削力曲线比较平滑；当刀具发生磨损甚至磨损量较大时，切削力的曲线会发生较大的波动。这是因为无磨损或者磨损较小时切削状态比较平稳，磨损量增大时，切削状态越来越不稳定，振动越来越剧烈。图6的柱形图反映了X轴、Y轴和合力随刀具磨损量的变化趋势，即磨损量越大，切削力越大。这是因为刀具磨损量以及切屑与刀具接触面积越大，摩擦力就越来越大，切削力也随之而增大。并且，随着切削的进行，塑性变形和切削力也会增大。由图还可以看出，当磨损量增大到一定程度，X和Y方向的切削力都增大得越来越慢，合力也有相同的变化趋势。
3 有限元仿真结果试验及分析
为了验证仿真结果的正确性进行了单因素车削试验。采用株洲钻石公司的硬质合金刀体，型号为CNMG120408-PM，刀片上的PCBN焊接片选用日本住友公司的BNX20，CBN体积百分比为50%，试验用刀具见图7。工件材料为高强度钢Cr12MoV，工件直径135mm，在沈阳CA6140机床上进行试验，采用Kistler 9275B三向压电式测力仪测量切削力，Thermo Vision A40红外热像仪测量切削温度，试验现场如图8所示。
设计的试验参数与仿真参数相同，切削速度v=188m/min，进给量f=0.1mm/r，切削深度ap=0.2mm。分别在刀具磨损量为0、0.05mm、0.1mm、0.15mm和0.2mm时对切削力和切削温度进行测量。
(a)VB=0
(b)VB=0.2mm
图5 不同刀具磨损量时的Y方向切削力
图6 切削力随刀具磨损的变化趋势
图7 试验刀具
图8 试验加工现场
图9a是X轴和Y轴切削力的仿真与试验结果的对比分析图。可以看出，试验中X轴和Y轴的切削力随刀具磨损量的增大而增大，Y方向切削力增大的趋势比X方向明显很多，但当磨损量增大到0.15mm后，切削力增大趋势变缓，这是因为刀具磨损已经接近磨损标准。图9b是切削温度的仿真与试验结果的对比分析图，可以看出切削温度也随着刀具磨损量的增大而显著增大。从图9a、图9b中可以看出，仿真结果与试验结果比较接近，但仍存在差距，因为仿真过程中不考虑温度、环境、积屑瘤以及机床振动等因素，但是二者变化趋势相同，误差较小。
(a)无磨损时的切屑卷曲形态
(b)磨损为0.2mm时的切屑卷曲形态
图9 仿真和试验结果对比
(a)无磨损时的切屑卷曲形态
(b)磨损为0.2mm时的切屑卷曲形态
图10 不同刀具磨损量的切屑卷曲形态对比
(a)无磨损时切屑
(b)磨损为0.1mm时的切屑
(c)磨损为0.15mm时的切屑
(d)磨损为0.2mm时的切屑
图11 不同刀具磨损量对切屑形态的影响
为观察切屑的形态，本文对不同刀具磨损量下的切屑形态用超景深显微镜进行观测（见图10和图11）。由图可以看出，当刀具无磨损进行切削时，切屑形态卷曲，表面光滑，并且很有规律，呈C形屑；当刀具磨损增加时，切屑表面粗糙，卷曲程度变小，切屑表面也越来越不平整，形态各异，大小不一，毫无规律，甚至出现断屑。因此，刀具磨损对切屑形态的影响比较大。
小结
本文采用有限元仿真软件ABAQUS模拟了PCBN刀具分别在磨损量为0、0.05mm、0.1mm、0.15mm和0.2mm时切削高强度钢Cr12MoV的过程，分析了切削力、切削温度和切屑形态的变化，即切削力和切削温度随着刀具磨损量的增大而增大，对切屑形态的影响也较大。虽然磨损标准为0.2mm，但当PCBN刀具切削Cr12MoV的磨损量为0.15mm时，就已经对切削过程产生很大影响，应及时换刀，以保证切削质量以及加工安全。
