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

0 g* K% Y3 d. ?' @# n% C- j9 L" l

" Y+ E6 e! o7 L* l: G% x6 ?9 d; ~
1. 试验条件 3 k5 O" F' V: J5 a |, D& B5 n& C
   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。 3 F! F4 d+ E7 g* @* b1 c$ ^9 u9 @! T- C( Q% r/ |. Y6 s$ v* H$ z5 k O4 m: ?/ J8 _; Z) m' [% {! [4 i' J$ a& n1 W% y. O( [" u* Z3 P

   表1 陶瓷刀具牌号及性能

   试验刀具	成分 1 u; @$ M/ R. N* r1 g: o( b- q2 ?	系列 9 ^! y+ c; D2 Q! @9 w& _) ?) y9 X	硬度 (HRA) 6 m& m; E0 @( Z7 }- X	抗弯强度 (MPa)
   陶瓷刀具1 ( q2 a$ P$ b7 s	Si3N4+Al2O3+TiC , \8 d0 O* N& R8 U0 J	Si3N4-Al2O3基	94 : i4 s" d0 E0 q1 ], @. v4 f) P	850
   陶瓷刀具2 3 A1 p' Q9 v2 ^' Y	Al2O3+Ti(NC) 7 I! \) Z5 P) l1 J F% i	Al2O3-Ti(NC)基	94.5	850
   陶瓷刀具 3 7 n4 X E" F* Y5 T* Q	Al2O3+TiC	Al2O3基 ( b" w" ^8 k/ [% ^. `8 o' m	93.5 0 s/ |6 G* n3 [, U! w: k	880～030

   ) @0 s, f, z' [8 V% \
   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。 & o3 s% b' J. p; H$ I5 V$ A4 g" \
   铣刀盘：d=125mm，g_p=-9°，g_r=-3°。 " S4 F- w5 S* ~; b
   机床：XS5040型立式升降台铣床。 9 u% P# D1 U* E7 ?' `2 A0 f
   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。
   " w3 _1 A' c, a: m
2. 刀具耐用度试验方法 : T# |8 ?; M6 g( l
   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。
   " P$ p2 a! f2 q/ d8 c' I
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。

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3 试验结果与分析

$ O# w) B, N7 O

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 o2 d4 {: \9 I+ `; {: E2 m% o+ ^3 _2 G# N) T9 c

   (a)V=123 m/min ) @2 M8 |/ a/ e/ [$ b0 n	(b)V=157 m/min - U* n- x. R p5 a `1 k5 F9 F' ?
   图1 三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线

   * l9 i& o/ n% H; j, |# Q
   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。 1 d; K! G. _% r& r J
   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。 % U( I$ R2 B/ l* _( l
   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。
   ! F. m3 v+ p* l1 p+ E3 e
2. 切削条件对切削力的影响
   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。 9 {# R1 h" I- o. G2 h; z- F* P. O7 m$ C

   图2 YT15、陶瓷刀具1的主切削力曲线

   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。
   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
   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。 4 R" {* \' m/ a7 z( _* I& w e2 {- ]/ \1 L1 \$ R# i3 A4 I; x% A( \ {+ B* v9 b& `2 [1 c2 c: `" z- k% B! X+ M& L: c2 n* a

   表2 三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度

   试验刀具 * y$ D9 C7 o: L+ Z	V (m/min)	Ra (µm)	等级
   陶瓷刀具1 , v7 S( f' S1 z* Z	123 0 @/ v. \9 W+ H! Z3 d" J5 h	0.480	8
   	157	0.770	7 * K" `0 c9 ^* [: j
   陶瓷刀具2	123 3 S/ p/ S! I: k. S6 G7 g	0.514 4 h- a# U1 O5 E2 m	8
   	157	0.486	8
   陶瓷刀具3 : C. u2 I7 B" H- s8 U* o( Y# j	123	0.512	8
   	157 ( `- N) t% J! F% b! Z% M/ C	0.604 $ i6 @) X+ D( H! U	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

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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。
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。