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。 , O$ F, c$ M( F5 @1 z, S5 @ W

2 试验条件与方法

1. 试验条件 0 r9 }; g( O/ I- Y
   试件材料：某牌号超高强度钢，试件尺寸160mm×60mm ×60mm。 - m A' C! l1 j4 l9 p; a4 h
   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。 6 f: l% `2 ]3 ]/ `' X) U1 n) _2 n- z7 ^. z% J: V! s& D' c3 g' y

   表1 陶瓷刀具牌号及性能

   试验刀具	成分 3 W+ C! Q+ v+ V% w0 s( p: ^	系列 . ~( W8 e& P# t	硬度 (HRA)	抗弯强度 (MPa)
   陶瓷刀具1 % [) C! K9 w: l, M' e: g9 f7 ^: k	Si3N4+Al2O3+TiC * P, X" g1 D1 w% u	Si3N4-Al2O3基	94	850
   陶瓷刀具2 . _9 g% _& G# ~ V8 o9 V	Al2O3+Ti(NC)	Al2O3-Ti(NC)基 ! Z! V, Q; ~+ f* G X' b	94.5	850 + P; h9 }9 p* B/ Y
   陶瓷刀具 3 7 S8 y/ u% C$ R7 n5 @: V' u	Al2O3+TiC	Al2O3基 0 |+ P! K9 M* m8 K9 }5 A	93.5 - }8 R8 ]0 D5 X# ~	880～030

   0 O0 X l0 n e ?
   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。 8 A8 I$ D5 H; M l* v" z" B; Y1 c
   铣刀盘：d=125mm，g_p=-9°，g_r=-3°。 : i; r' {1 b* `- e* I+ K h5 r. e
   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 ; e3 a9 `4 u- p& d7 Y* Y2 ^1 \
   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。
   : f/ e- z3 A; v5 n2 t
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。
   8 o4 {+ C, U+ l% Q9 o O) M u
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

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。
   . W+ o# x( s) z" h* O- ^1 ]6 Y: c# I, Q8 R. q$ h2 K# [ W3 G4 d5 x b8 R

   (a)V=123 m/min	(b)V=157 m/min + A" A! _- J; u' S
   图1 三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线

   , B$ H3 U% m' j3 j) E2 m
   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。 3 k: r+ n- H/ l; J0 l
   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 - C* ]4 R4 j! Z' a) G! ]5 l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 " o' O0 @1 r8 ~) u
   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。 c4 r9 k- a0 U' {* A- a; [ \6 n3 q7 h& f9 w9 |

   图2 YT15、陶瓷刀具1的主切削力曲线

   7 P4 j8 Y# Y9 W- s h0 @; ~6 N. W
   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 5 n- M$ D P0 d* A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。
   + a; k( ]5 \+ a$ F
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。 % D$ D9 ]/ O3 W1 Y$ ?' G, P/ ?- G) a1 X. Z" |/ i1 ^! X. z5 }/ e: O& |: C% K4 N9 Y% C! k0 `/ \! J/ n, o& p3 r* l/ K% g. ^" c$ v, c7 z0 b% g

   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) y4 B, `( y: k5 k2 J2 t7 g	等级 ! u, R; `6 h+ {- U) \5 H& x
   陶瓷刀具1	123	0.480 ( b" R3 i" {; \6 W, M9 X( p5 @	8 ' J' l6 G r1 G' \- w
   	157	0.770	7 / k* {9 T0 a/ L" {6 k4 o
   陶瓷刀具2	123	0.514 ; o5 k* ]$ @( }6 ~1 [$ n	8 " [1 t* J9 |( |; n5 v! L/ H* o
   	157 : u; l" k9 q( D5 }2 ?	0.486 / M' A) F; u* s1 N. j i8 z7 U) N	8 : s+ k- r* p% I# J
   陶瓷刀具3 ' b+ C$ y! `+ c/ Z' Z' l	123	0.512	8 : ], a9 Z$ B' J3 z$ C+ b5 b$ d
   	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。

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4 结论

6 a$ O5 x/ E& W1 _4 @+ [) t/ f

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。 0 z) t1 y1 j/ G7 @2 U, m6 l
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。