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陶瓷刀具干铣削超高强度钢的试验研究 |
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作者：北京理工大学 刘志兵 王西彬 杨洪建 |
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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
1) 试验条件
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。表1 陶瓷刀具牌号及性能
| 试验刀具 | 成分 | 系列 | 硬度
(HRA) | 抗弯强度
(MPa) | | 陶瓷刀具1 | Si3N4+Al2O3+TiC | Si3N4-Al2O3基 | 94 | 850 | | 陶瓷刀具2 | Al2O3+Ti(NC) | Al2O3-Ti(NC)基 | 94.5 | 850 | | 陶瓷刀具 3 | Al2O3+TiC | Al2O3基 | 93.5 | 880～030 |
刀具几何参数：g0=0°，a0=0°，br1×g01=1mm×15°，re=2.5mm。
切削方式：单齿端面对称干铣削。
铣刀盘：d=125mm，gp=-9°，gr=-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ap=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ap=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Fz-V 经验公式。
4) 加工表面粗糙度试验方
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，ap=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。 
(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。
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、ap=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
本试验中，在相同切削用量(V=123、157、196、247m/min，f=1.1mm/r，ap=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。
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Fz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，ap=1mm 切削用量下铣削超高强度钢的Fz-V经验公式分别为
陶瓷刀具1：Fz=418V-0.102r=-0.707
YT15刀具：Fz=379V-0.075r=-0.740
式中，Fz为主切削力，r为相关系数，表示Fz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，ap=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。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 | | 陶瓷刀具1 | 123 | 0.480 | 8 | | 157 | 0.770 | 7 | | 陶瓷刀具2 | 123 | 0.514 | 8 | | 157 | 0.486 | 8 | | 陶瓷刀具3 | 123 | 0.512 | 8 | | 157 | 0.604 | 8 |
由表2 可知，工件的加工表面粗糙度值均在Ra0.480～0.770µm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。
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Ra0.480～0.770µm之间。(end)
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(1/21/2005) |
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