陶瓷刀具干铣削超高强度钢的试验研究

HEATS

1 引言

; U& k" u+ A8 i `& [

难加工材料切削技术的研究在理论和实践上都具有重要意义。本项目的研究对象为某牌号超高强度钢，该钢种材料Ni、Cr、Mo元素含量较高，具有高硬度(>45HRC)、高强度(抗弯强度1174MPa)和良好的韧性，因其优异的物理、力学性能而在国防工业上有着重要应用。该钢种的总体加工性能等级为8级，属于典型的难加工材料，目前主要使用硬质合金刀具进行切削加工，但刀具磨损、破损严重，加工效率低，加工成本高，严重制约了生产的顺利进行。本研究分别采用Al₂O₃基、Al₂O₃-Ti(NC)基和Si₃N₄-Al₂O₃基三种陶瓷刀具对该牌号超高强度钢进行了干铣削加工试验，通过研究其切削性能，探讨适合加工该材料的有效刀具及工艺方法。 * j% }: _- C6 I; _

2 试验条件与方法

& B7 r' m* N; Z; @
1. 试验条件 * i, O2 R/ V3 v$ l/ X
   试件材料：某牌号超高强度钢，试件尺寸160mm×60mm ×60mm。 5 E7 l8 X4 h: S/ k( }- P* h2 U5 v& I+ A
   试验刀具：YT15硬质合金刀片， Al₂O₃基、Al₂O₃-Ti（NC)基和Si₃N₄-Al₂O₃基陶瓷刀具。三种陶瓷刀具的成分及性能见表1。 5 f; ~- L4 M% J/ x! L" r% @% l+ r/ W5 e3 e1 S2 ^3 n' W+ {" B& g

   表1 陶瓷刀具牌号及性能

   试验刀具	成分 4 Z: T$ z6 i) P* N8 p, m	系列 0 g7 ^' ?8 H* f	硬度 (HRA) * D9 Q3 G3 ^8 q	抗弯强度 (MPa)
   陶瓷刀具1	Si3N4+Al2O3+TiC 0 w" G+ C; S$ T" y \6 C+ }/ j	Si3N4-Al2O3基 4 R+ n( D; ?$ H, `2 Z/ R	94	850
   陶瓷刀具2	Al2O3+Ti(NC) / A& q3 Q/ I& ~' q4 S	Al2O3-Ti(NC)基 9 x8 n2 M1 ]+ h8 [7 l' c	94.5	850
   陶瓷刀具 3 $ |4 {* U1 ?8 U: }	Al2O3+TiC 5 m" Y% ?: Q1 r& i	Al2O3基 2 X7 b' L j" ^. S) ~ Y4 k1 |	93.5 , U$ h, Q: g# }; [$ k9 R. B+ E	880～030

   / _/ \8 B" ^: t& i4 B
   刀具几何参数：g₀=0°，a₀=0°，b_r1×g₀₁=1mm×15°，r_e=2.5mm。 & `( H" ]5 T# [$ f/ a+ B& Y( T
   切削方式：单齿端面对称干铣削。
   铣刀盘：d=125mm，g_p=-9°，g_r=-3°。
   机床：XS5040型立式升降台铣床。
   测量装置：小型工具显微镜，Kistler三向压电晶体测力仪，表面粗糙度测量仪。
   ) H) O" H6 w f L9 Z1 d1 p1 }2 w
2. 刀具耐用度试验方法
   在进给量f=0.1mm/r，切削深度a_p=1mm，切削速度分别为V=123、157m/min的切削条件下，分别对三种陶瓷刀具进行刀具耐用度试验，绘出刀具磨损曲线，并建立T-V经验公式。
   2 z0 Z% O. r) s) @* V
3. 铣削力试验方法 * q+ X0 j/ X* u c; Z( a, x
   在进给量f=0.1mm/r，切削深度a_p=1mm，切削速度分别为V=123、157、196、247m/min的切削条件下，分别对YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1进行切削力试验，绘出主切削力曲线，并建立F_z-V 经验公式。
4. 加工表面粗糙度试验方法 : V( `. O( C) w# n
   在切削速度V=123、157m/min的条件下，分别用三种陶瓷刀具进行切削试验，并测量、记录已加工工件的表面粗糙度值。

; Z5 @: k' c# u; f8 p9 H* f

3 试验结果与分析

0 b$ }( o) n! g: u2 _5 V+ {
1. 切削条件对刀具耐用度的影响本试验中，在相同切削用量(V=123、157m/min，a_p=1mm，f=0.1mm/r)下得到的三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线如图1所示。
   5 l8 p) C, X; y: Q7 E0 f( e, p, d: H

   (a)V=123 m/min	(b)V=157 m/min 8 N8 N$ m. k0 G: k9 |/ C0 u2 B
   图1 三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线

   ' N |! o; b) L+ }1 d
   由图可见，陶瓷刀具- 在正常磨损阶段的磨损较剧烈，在很短时间内就达到了刀具磨钝标准；陶瓷刀具1、3的耐磨性较好，在刀具正常磨损阶段的磨损较缓慢、均匀，与目前生产中普遍采用的YT15硬质合金刀具相比，刀具耐用度有较大幅度提高。
   陶瓷刀具2在两种切削速度条件下磨损均较严重的原因是切削温度较高，工件材料中的Ni向刀具中心扩散，使刀具表面硬度下降，刀具材料与工件材料亲和性增大，粘结磨损随之增大，导致刀具耐用度降低。陶瓷刀具3的耐用度在V=157 m/min时较V=123 m/min时明显下降，这是因为V=123 m/min时刀具的主要磨损机制为磨料磨损和粘结磨损，刀具磨损较慢，因而耐用度较高；当V=157 m/min时，随着切削温度升高，扩散磨损在刀具磨损中所占比重上升，使刀具材料性能降低，刀具磨损加剧。陶瓷刀具1的耐用度最高(36min)，这是因为刀具材料中的Si₃N₄和TiC在切削过程中被氧化，在摩擦表面生成的含Si、Ti 氧化物起到了固体润滑剂作用，可显著降低刀具后刀面与工件间的摩擦力，从而减轻了刀具的粘结磨损，提高了刀具耐磨性。 4 b8 [" T8 q: L. L0 b" |/ u8 F+ z, Z
   对试验数据进行线性回归分析，可得出三种陶瓷刀具在f=0.1mm/r、a_p=1mm 切削用量下铣削超高强度钢的T-V经验公式分别为 陶瓷刀具1：T=8.492×10³×V^-1.048r=-0.885
   陶瓷刀具2：T=2.919×10²×V^-0.710r=-0.842
   陶瓷刀具3：T=8.578×10⁷×V^-3.065r=-0.927式中，T为耐用度，r为相关系数，表示T与V之间相关关系的密切程度。上述经验公式反映了三种陶瓷刀具的耐用度与切削速度之间的关系，为后续试验中切削速度的选择提供了重要依据。
2. 切削条件对切削力的影响 : F W/ F2 v2 P' v" p
   本试验中，在相同切削用量(V=123、157、196、247m/min，f=1.1mm/r，a_p=1mm)下得到的YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1的主切削力曲线如图2所示。 * Q; I% O, a8 z& h5 d! i& T9 f0 t; x- r0 ~) c% h! u. G+ c' x

   图2 YT15、陶瓷刀具1的主切削力曲线

   & Q% E! [7 ]5 V. X/ o; b5 u
   由图可知：①在试验切削速度范围( V=123~247m/min)内，YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1的主切削力F_z随切削速度的提高而缓慢减小，这表明当切削速度较低时，切削速度的提高可导致切削力下降；②与YT15硬质合金刀片相比，陶瓷刀具1的主切削力较小，这主要是由于陶瓷刀具干切削时具有自润滑功能，即陶瓷刀具中的 Si₃N₄、TiC 和Ti(NC)在高温下发生氧化，氧化物附着在切屑与前刀面之间，可减小前刀面的平均摩擦系数，从而减小了主切削力。 8 x1 s n7 ^/ \$ X+ @" z6 {
   对试验数据进行线性回归分析，可得出这两种刀具在f=0.1mm/r，a_p=1mm 切削用量下铣削超高强度钢的F_z-V经验公式分别为 , |9 J9 B0 H9 W- v陶瓷刀具1：F_z=418V^-0.102r=-0.707
   YT15刀具：F_z=379V^-0.075r=-0.740式中，F_z为主切削力，r为相关系数，表示F_z与V之间相关关系的密切程度。
3. 切削条件对加工表面粗糙度的影响
   本试验中，在相同切削用量( V=123、157m/min，a_p=1mm，f=0.1mm/r)下获得的三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度值见表2。 $ }* H2 G) l& j7 P3 |8 S1 p" Q; k& o" [2 \# F* O5 L( O9 |4 }; c: L! ?5 v: }' p2 U; n

   表2 三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度

   试验刀具 2 X- i5 L' }! z$ `! g	V (m/min) / i7 g5 |7 @1 \	Ra (µm)	等级
   陶瓷刀具1	123 0 Y* }, _* B0 g. f$ q0 @	0.480	8 8 n3 I2 \. D8 G, B! K
   	157 0 F, Z/ ^: l' d9 d2 a$ ~	0.770 / m% j; G5 U4 C1 l" Z4 N	7 0 ^2 [) j4 \( T. I$ T
   陶瓷刀具2	123	0.514	8 9 g9 M8 s3 J1 f* u# ?6 {& F$ o
   	157 v# Q% K& _9 ]- {5 ~+ {0 d* v	0.486	8
   陶瓷刀具3	123	0.512 1 W; F# r# X$ y% ]	8 ! }7 i% Y; ~9 D6 r
   	157 3 V" U7 _1 W5 y) z- q) N( `	0.604	8

   ; @7 d5 y0 |$ r$ S) j6 j& [
   由表2 可知，工件的加工表面粗糙度值均在R_a0.480～0.770µm之间，这表明用陶瓷刀具加工超高强度钢可获得较好的表面质量。这主要因为：①由于试验采用端铣方式，由主切削刃起切除作用，而过渡刃和副切削刃起到了修光作用；②工件材料硬度高、韧性好，加工中塑性变形较大，刀具与加工表面的挤压作用在一定程度上提高了加工表面质量；③陶瓷刀具材料的自润滑性能较好，刀具材料与工件之间的摩擦系数较小，铣削过程中刀具与工件的摩擦力较小，不易在前刀面形成滞留层和积屑瘤，因此可获得较好的加工表面质量。

4 结论

$ Y3 x4 M7 h) @) ` O. c/ r/ a
1. 刀具耐用度试验表明：用陶瓷刀具加工超高强度钢可显著提高刀具耐用度，其中Si₃N₄-Al₂O₃基陶瓷刀具的切削性能最佳。 2 w, N' d/ n2 v" h% ^8 w9 O+ c# W
2. 切削力试验表明：采用陶瓷刀具加工超高强度钢时的主切削力较采用YT15硬质合金刀具时有所下降。 ) q7 }1 K6 t0 |- O" t) f9 S
3. 用陶瓷刀具加工超高强度钢可获得较好的表面质量，加工表面粗糙度在R_a0.480～0.770µm之间。