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

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1. 试验条件 8 d" p, R1 ]: S8 M; ~
   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。 # t* Z& v, ^6 U O/ x O3 V1 p4 C; B9 H- o; d% Y2 d: W% P) E+ |) s* q2 t+ A/ c1 Z) l: _8 u6 n0 w6 c& ?# X, C/ o7 H, X! ^$ ?0 D* j* Y9 I+ @8 A) `) x# o% b/ E7 {- R2 B# \. C& Q5 Z% K, h+ c0 S! Y% d3 q' g2 B0 x

   表1 陶瓷刀具牌号及性能

   试验刀具	成分	系列	硬度 (HRA) 0 }1 V6 v' s. f) @1 ~	抗弯强度 (MPa)
   陶瓷刀具1	Si3N4+Al2O3+TiC	Si3N4-Al2O3基	94	850
   陶瓷刀具2 / a: Y# M M4 f3 P2 ^	Al2O3+Ti(NC) 7 g3 k$ v( {" s. G* m+ {9 G	Al2O3-Ti(NC)基	94.5 " m4 g6 }7 Z: n1 w( o	850
   陶瓷刀具 3 4 g! j9 _- l" `+ r4 _	Al2O3+TiC & S5 ~3 Z4 ]$ m, l* B	Al2O3基 ! i. ^; i2 D& @- ^/ |	93.5	880～030

   % V/ M9 I5 M. W* N4 X6 a
   刀具几何参数：g₀=0°，a₀=0°，b_r1×g₀₁=1mm×15°，r_e=2.5mm。 / b2 Q0 _' y6 @/ G
   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。
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。
   5 f% j- b/ q6 V
4. 加工表面粗糙度试验方法 ! v9 \5 U4 u( d# E& M1 b( w9 R2 W* k
   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。
   5 E6 [" y0 f1 o* L1 h3 s1 c* v* m0 j3 i9 I

   (a)V=123 m/min 7 K$ `- J* S4 |! ?	(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。 ' f z3 u" z9 H4 U1 ?0 b$ P
   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。 , v; P4 d4 [- R. K! C
   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
   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。 , R+ R4 R; H0 t- k {2 J/ R

   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 a( u& F: n* f+ n# A0 L$ b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 / {* `& W$ I, z. L. M2 D
   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 V- R: j5 Q7 e/ V7 y# n) u8 N! o5 k$ ?" q/ m& O9 Q8 W. }8 E& k, K: b8 K$ w' ]+ c( x# m! n+ {' ~( T5 a2 a$ h5 B6 p1 V# Y" K0 j" K7 y' X

   表2 三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度

   试验刀具 ( D, k% y9 v: X4 E! a$ A	V (m/min) ; ]+ q& l/ _# G$ Z/ t0 M0 m	Ra (µm)	等级 : V, c1 }% Y$ @
   陶瓷刀具1	123 7 t2 h+ `8 N) v: c- O; H' ]. ^; Y	0.480 : q2 B% m, r3 U8 [# h& m	8
   	157 . s! T& C6 g! \	0.770	7
   陶瓷刀具2	123	0.514	8
   	157 : c0 e2 x' L k5 f9 s, [- C	0.486	8 3 O! f) R% `- o% I
   陶瓷刀具3 3 h$ h. c: b! D+ P	123 * l5 m; x9 u Y7 x W; i	0.512 ! m& m' ]7 x8 H, D	8
   	157	0.604 2 f: U5 L2 \) D- ~" D1 u2 z	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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7 P6 m- n( t( C# q9 u5 w, M: y
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。 # l2 d: z: `% S* ^5 Y1 M) Z
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。