陶瓷刀具干铣削超高强度钢的试验研究

HEATS

1 引言

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

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1. 试验条件 0 P7 y% e( t5 ?0 u
   试件材料：某牌号超高强度钢，试件尺寸160mm×60mm ×60mm。
   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 ]1 }: u( ~+ l+ ?. v+ k' u7 \) u% m+ p a/ @5 W5 F6 l, u# R5 y; V) @4 Y2 V w- [, B0 H4 N& m' z% m7 z7 G j9 P$ G( o" I7 d: ]9 R/ R6 O, N: ]# d- \

   表1 陶瓷刀具牌号及性能

   试验刀具	成分 $ ]# N# t# M8 C8 |2 g2 v% S	系列 8 Z; }, o. Q' Q; @+ _	硬度 (HRA) 5 m5 g. K7 c, Y/ w. p	抗弯强度 (MPa) 7 s- n8 @; E* l4 H2 a3 v, ]- [ H
   陶瓷刀具1 - C* q3 J- U! @" X; l	Si3N4+Al2O3+TiC K1 L* P7 B1 T. R& c2 I	Si3N4-Al2O3基	94 $ E( c* N8 c7 Q' u% e* d	850 0 S- x/ P) |8 V+ H g( u
   陶瓷刀具2 ' f. D$ z9 ]3 x! T# N3 i" u; @; ^( f' }	Al2O3+Ti(NC) 0 o# o, T8 X) _; y7 v	Al2O3-Ti(NC)基	94.5	850
   陶瓷刀具 3 : i [$ G: ]/ w! E4 ?/ S: y. e- L	Al2O3+TiC	Al2O3基	93.5 * a0 X2 M* H& N4 H1 G: k) J& w	880～030

   刀具几何参数：g₀=0°，a₀=0°，b_r1×g₀₁=1mm×15°，r_e=2.5mm。 ' N' k3 @, c x4 e. I# s
   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。
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。
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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。
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4. 加工表面粗糙度试验方法
   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。

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。
   5 v( z8 t- }8 x) c% D

   (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。 9 R# X( ~1 H* u) R* s& x8 c2 w, H
   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。
   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 $ O6 j3 Q5 |* v, g8 q2 y& N
   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。 8 R& O2 X, ^; W; q% v' i; o& U. b( I; Q& j/ U' T* a; |6 k

   图2 YT15、陶瓷刀具1的主切削力曲线

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   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<sub>z</sub>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 Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>、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。
   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<sub>p</sub>=1mm 切削用量下铣削超高强度钢的F<sub>z</sub>-V经验公式分别为 2 W1 l5 `, N. _, s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。
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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。 ' m2 H! Z2 j8 [( [& n3 M% R4 \1 V# o' B- I. B1 G. N* L% P& v# _4 s0 U4 B1 g, u/ A8 S; m# @3 L% o2 d, }0 |6 _8 A9 ]! ~8 M5 u3 v7 |& b* h' c# F2 E2 l

   表2 三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度

   试验刀具	V (m/min)	Ra (µm)	等级 / u; Z% U- m8 @9 E
   陶瓷刀具1	123	0.480	8 1 \( ~+ t9 w' Z$ x! Q
   	157	0.770	7
   陶瓷刀具2	123	0.514 / L0 [5 R* `6 g8 a2 D	8 9 n9 ~* O0 g5 } Q) z" `
   	157 9 F2 A" E- t8 K: ^0 M2 A	0.486	8
   陶瓷刀具3	123	0.512 ) r6 V& t; \# Y( X+ q' v	8 6 e0 K6 J$ M! z8 i6 O& Z
   	157	0.604	8

   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

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。 : b6 j+ |- j [3 N0 T( o2 |- B
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。
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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