摘要：研制了安裝Ø9.5～Ø23 CBN刀片的滾切車刀。刀片用彈性卡頭裝卡，刀桿具有可調前角和刃傾角，并具有滑動軸承和滾動軸承2種刀軸。切削實驗表明，加工質量主要受表面波紋度影響，采用適當的切削速度、進給量、刀具幾何參數，減小刀片直徑和刀軸軸承間隙均可降低波紋度。
    滾切刀具上裝有圓形刀片，切削過程中圓形刀片繞自身軸線連續轉動。當刀片的轉動是由專用的電機驅動時，稱為驅動式滾切刀具(Driving rotary tool 或DRT)；當刀片的轉動是由切削運動帶動時稱為自滾切刀具(Self-propelled rotary tool 或SPRT)。自滾切刀具的切削刃必須具有一定的刃傾角(ε)，以產生沿刀刃切向的速度分量vt，帶動刀片轉動(圖1)。

圖1 自滾切刀具工作原理

    SPRT的主要優點是能夠極大提高刀具耐用度，因此SPRT適宜于加工難加工材料，在此情況下刀具耐用度可提高30～100倍。雖然SPRT在工業上已有應用，有些設計已獲專利，但由有文獻告訴我們，SPRT上采用的刀具材料尚僅限于高速鋼和硬質合金，超硬刀具材料如CBN和PCD尚未用于這一領域。本文介紹了裝有CBN刀片的SPRT車刀。作者曾對這種刀具的滾切速度、切削力、切削溫度、加工質量、刀具磨損等方面進行了初步實驗。結果表明，裝CBN刀片的SPRT車刀不僅可以用很高的速度(190～250m/min)加工淬火鋼(HRC50～55)，而且可保持很長的刀具耐用度(VB＝0.01～0.02mm/h)。因而刀具磨損已經不是CBN-SPRT在使用中的主要矛盾。研究結果同時表明，加工表面波紋度成為影響加工質量的主要因素，不適當的加工條件會加大表面波紋。本文針對各種因素對加工波紋的影響進行了更為深入的探討。
1 刀桿設計
    根據以往的研究，滾切加工中的2個主要問題是刀片旋轉所引起的附加誤差和較大的徑向力所誘發的振動。因此，刀軸軸承的轉動精度和刀桿的剛性就成為SPRT刀桿設計中的重點。對于CBN-SPRT的設計，由于刀片無孔無后角，所以給刀具制作帶來更多的問題，迄今所發表的關于各種滾切刀桿設計的文章未涉及這一情況。本文中的CBN-SPRT要用于實驗，刀桿還應具有可調的幾何參數，以探討不同幾何參數對切削性的影響。

圖2 調整前角δ使無后刀片產生切削后角

    考慮到以上各種要求，所設計的刀桿具有下列特點：
    1）當使用無后角刀片時，刀桿除了能設置刃傾角e外還能夠設置負前角δ，以便在后刀面和加工表面間形成后角，如圖2。在本文所介紹的刀桿上設計了前角架和傾角架，使得前角和刃傾角連續可調，見圖3。前角架和傾角架可繞相互垂直的空間軸線轉動，
    2）軸線在刀尖處相交，以使前角和刃傾角的調整不影響刀尖高度。為了將刀桿的受力變形減到最小，刀桿采用了緊湊的結構以提高剛性。 

(c)刀桿正視圖        (a)滾動軸承刀桿側視圖         (b)滑動軸承刀桿側視圖
1.鎖緊螺母 2.軸承內環 3.軸承外環 4.滾動體 5.Ø12.7～Ø23刀片 6.壓板 7.前角架 8.刀軸 9.彈簧卡頭 10.Ø9.5刀片11.刀桿 12.傾角架
圖3 使用CBN刀片的雙向傾斜滾切車刀

2 實驗條件
    車削實驗在C620-1型車床上進行，全部實驗為干切削，具體實驗條件如下：
    1）刀具及工件材料 刀具材料是BZN-6000CBN 圓刀片，直徑分別為Ø9.5，Ø12.7，Ø23。工件材料為55鋼(GB699-88)，淬火硬度為HRC50～55。試件中心鉆有50mm直徑的通孔，以提高淬透性，在整個截面上獲得均勻的硬度。
    2）波紋度測量裝置 表面波紋度定義為一種表面紋理，其上疊加有表面粗糙度輪廓。但標準中并未提供波紋度的測量方法。本項目中采用了千分表進行測量。千分表固定在刀臺上，見圖4，并沿工件表面移動，5mm采樣長度內的峰谷值作為波紋度數據。實驗中進行了重復測量減小隨機誤差，以重復測量的平均值作為實驗結果。

圖4 表面波紋度檢測裝置

    3）切削參數 在改變前角、刃傾角、切削速度、進給量的四因素實驗中使用了裝有Ø12.7刀片的SPRT，參數范圍為：前角d=-10°， -17°， -30°;刃傾角e=-10°，-14°， -20°， -28°， -40°;切削速度v=100， 137， 187， 256， 350m/min;進給量f=0.1，0.14， 0.2， 0.28， 0.4mm/r。切削深度為0.05mm，保持不變。實驗數據采用多元回歸的方法進行處理，回歸曲線見圖5。研究中還針對刀片直徑9.5，12.7， 23mm，刃傾角的正負，滾動、滑動軸承的不同進行了波紋度實驗，實驗結果見圖6。

(a)滾動軸承刀桿側視圖 (b)滑動軸承刀桿側視圖
圖5 刀具角度和切削用量對波紋度影響

(a)滾動軸承刀桿，Ø23刀片 (b)滾動軸承刀桿，Ø12.7刀片 (c)滑動軸承刀桿，Ø9.5刀片
圖6 刃傾角方向和軸承結構對波紋度影響

3 分析討論
    由圖5(a)可見，較大的負前角使波紋度增大。一般而言，負前角增大使得切削力增大，而增大的切削力。尤其是徑向力，容易造成振動，從而產生波紋。減小負前角，切削力隨之減小。但對于無后角的刀片，此時后角也同時減小。后角過小時會加劇后刀面與加工表面回彈層之間的摩擦，反而使切削力增大。因此只有選用適當的前角才能產生較低的波紋。進給量越大，波紋度越大。 
    切削速度和刃傾角對波紋度的影響見圖5(b)。滾切速度、切削速度和刃傾角之間的關系可由下式表示(參見圖1) 
                            vt=vsinε (1) 
    所以提高切削速度或增大刃傾角都會使滾切速度增大。滾切速度的增大使得離心力增大，降低了切削過程的平穩性，波紋度隨之變差。但由圖5(b)可見，同時減小切削速度和刃傾角同樣不能改善表面質量。理論上講，無論v和e多么小都會驅動刀片轉動(見式1)，但實際情況并非如此，由于軸承中存在摩擦，所以當切削速度和刃傾角都比較小時，刀片很難產生連續的滾切運動。所以只有選用適當的切削速度和刃傾角，才能使刀片均勻轉動，從而產生均勻的加工表面。 
    由于切削參數對波紋度的影響趨勢比較復雜，研究中采用了數學優化來尋找最佳切削條件。優化中使用的數學模型即為回歸分析所得的經驗公式。根據優化計算，對于使用滾動軸承和Ø12.7刀片的SPRT，當δ=-12°， ε= -13°， v=256m/min， f=0.14 mm/r時得到的波紋度最小。 
    實驗中還發現，在同樣的切削條件下，當將刀軸固定使刀片停止轉動后，就可以大大減小甚至完全消除振動，從而使波紋度降低至2～3µm。這進一步證明，振動和波紋都與刀片的轉動有關。由于刀軸的偏心和軸承間隙，會使得切削深度變化，造成切削力波動，從而產生了振動。根據星鐵太郎的論述，當振動是由外部的周期位移干擾所激發，并以自激振動的形式持續進行時，這種振動中含有強迫振動和自激振動，稱為混合型顫振。一般情況下，振動所產生的加工波紋往往形成左旋、右旋或直紋的形式。但SPRT所產生的波紋有時呈隨機分布。此時切削過程相對平穩，在刀具和工件上感覺不到明顯的振動。這似乎表明，僅僅有周期位移干擾并不足以造成振動，如果其它一些參數，例如受力大小、干擾頻率、系統剛性、阻尼特性、固有頻率等不滿足一定條件，振動便不會持續下去。此時的加工波紋僅僅是由于刀具的轉動偏心引起。根據實驗記錄，此時波紋度較低，能達到3µm。 
    本文中使用的滾切刀桿在結構和精度上尚不十分理想，若經過進一步完善，有可能獲得更好的加工質量。為便于今后改進刀具的設計，針對刀片直徑、刃傾角方向、軸承結構等因素對表面波紋度的影響進行了研究。在大量觀測數據的基礎上，用直方圖圖6表達了實驗結果。圖中橫軸表示波紋度值，縱軸表示觀測頻數。 
    由圖6可見，刀片直徑越小，所產生的波紋度越低。這是由于隨著刀片直徑的增大，平均主偏角減小，這將改變切削力的大小和方向，使得徑向力(Fy)增大。這一分析在測力實驗中得到證實，裝有Ø3mm刀片的刀具所產生的切削力是裝Ø12.7mm刀片的刀具的3倍。影響波紋度的另一個主要因素是軸承結構?；瑒虞S承刀具加工出的表面質量高于滾動軸承刀具。原因可能是滑動軸承的阻尼特性優于滾動軸承；同時滑動軸承結構較簡單，產生誤差的因素較少。從圖6中還可看到，對于具有滑動軸承的刀具來說，軸承間隙越小，加工質量越好。 
    因此可以認為，裝有小直徑刀片、小間隙滑動軸承的SPRT，更容易產生較好的加工質量。