陶瓷刀具干铣削超高强度钢的试验研究

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1 引言

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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。

2 试验条件与方法

1. 试验条件 [# B1 h( h0 _) C
   试件材料：某牌号超高强度钢，试件尺寸160mm×60mm ×60mm。 8 i5 n: |9 x& z
   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。 # D) t9 F5 l9 S! @ K/ M% L; o" _3 v# `; @! k% e/ X. P$ z+ a+ k. R1 r+ W3 o& }; e5 O8 L" X/ T, X3 I& ^) k

   表1 陶瓷刀具牌号及性能

   试验刀具 ' l5 O8 q: R) O4 f% x	成分	系列 ' [+ @! w+ t& s: T' A7 i x' k	硬度 (HRA) 6 c; n/ i9 Q* f: l& [! G	抗弯强度 (MPa) , r, V0 M$ `- n9 K; g
   陶瓷刀具1	Si3N4+Al2O3+TiC 0 M4 G+ w6 a7 v	Si3N4-Al2O3基	94	850 # E' k0 M+ p' W( R6 `- n
   陶瓷刀具2 4 c+ l" {! k O: L; W/ B& S	Al2O3+Ti(NC) 4 F x1 T1 Y" Y7 E" p3 p. z- _# W	Al2O3-Ti(NC)基	94.5	850 0 x- ]+ J% \ A \( p1 F8 ]" E' `
   陶瓷刀具 3 . j- v* d* a$ G% T	Al2O3+TiC 4 K/ z: e' l8 _; p	Al2O3基	93.5	880～030

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   刀具几何参数：g₀=0°，a₀=0°，b_r1×g₀₁=1mm×15°，r_e=2.5mm。
   切削方式：单齿端面对称干铣削。
   铣刀盘：d=125mm，g_p=-9°，g_r=-3°。 0 [% i4 D2 G8 d
   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。
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2. 刀具耐用度试验方法 $ t# m3 k. I% Z0 H* t
   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。
3. 铣削力试验方法
   在进给量f=0.1mm/r，切削深度a_p=1mm，切削速度分别为V=123、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。
   # X9 X) F: r' d, n; R m
4. 加工表面粗糙度试验方法 ' L- I1 B* w% f- n- g
   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。

1 i8 g: E* T$ I6 e. O1 x! @

3 试验结果与分析

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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。
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   (a)V=123 m/min	(b)V=157 m/min
   图1 三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线

   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。 " F" d" ~: U. g( m1 ?: a( f3 w
   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 `) x- x+ |7 g. ]+ ]
2. 切削条件对切削力的影响 # l/ Z* ]& @1 b9 q/ M
   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。 \6 }, e5 a: e8 P L* q8 p5 H+ ^2 {- H: C, m/ K* G6 y2 K* q+ y- P4 C, U) y; p' B

   图2 YT15、陶瓷刀具1的主切削力曲线

   $ M" _, X# g b. Z2 j
   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。 : ~" h4 v5 [6 i: f# j) z! W
   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 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 . A) E$ E+ U! U, u
   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。 . d/ m. i# a1 f) R. P$ @' H# Y: A \) F9 K8 r9 B( l+ Q H4 r4 L! }' M, K) B) C/ o1 H, s+ V& e9 b4 ^. \) I |" U0 K- p

   表2 三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度

   试验刀具 5 F2 `! _- Q5 X% Y) O' [	V (m/min)	Ra (µm)	等级 , A! n( u1 n9 b* t7 U3 _1 I/ @
   陶瓷刀具1	123 # b: A7 V; D/ v8 A. F2 t8 \6 V+ K	0.480 * J: s# E+ }* i- Y9 B	8 : U/ K$ ?- E2 K
   	157 5 _9 e9 e' H7 ~+ C	0.770 - c6 H; G9 f4 n2 \( c* Z	7 0 D. f/ u3 A u2 V5 J, f5 E p7 {
   陶瓷刀具2 ' w W& b' T9 r5 [: J+ u! J	123	0.514	8
   	157 - d3 e& D/ ]: c4 G	0.486 % x$ P2 K! S' {$ J w; j	8 / O3 f( @6 {2 C" S2 O- H/ g
   陶瓷刀具3	123 1 {! H, s- j5 @	0.512 . @$ V: e$ j) C4 \8 M	8
   	157	0.604 . I6 ` t' B& U+ B6 U5 t	8

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   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。

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4 结论

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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. 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。 5 @6 L9 X* P% W, J9 s0 }
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。

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