硬質合金刀具干車削AISIH13 的切削性能試驗研究

何光春

(四川工商職業(yè)技術學院，四川 都江堰 611837)

0 引言

切削加工是制造業(yè)的主要加工方法，也是當前環(huán)境污染的主要源頭之一。干切削加工技術是實現(xiàn)綠色制造的關鍵技術，是一種先進的制造技術。本世紀，制造業(yè)必將持續(xù)發(fā)展，要求產(chǎn)品的制造過程應當在保證高生產(chǎn)效率和優(yōu)良質量的同時，又能維護生態(tài)良性循環(huán)。干切削加工技術就是在切削過程中不用或少用切削液的加工工藝方法，是一種綠色制造工藝，對保護環(huán)境、節(jié)省能源和資源，降低制造成本具有重要意義。

由于缺乏切削液的冷卻和潤滑，干切削加工時的切削溫度較高，對刀具磨損及壽命來說是有害的。因此，對刀具高溫性能提出了更高的要求，而以前的干切削刀具研究主要集中在“貴重”刀具方面，劉獻禮等［1］研究了PCBN 干切軸承鋼GCr15 時的刀具磨損與壽命，Katuku 等［2-3］研究了PcBN 刀具干切削ASTM2級等溫淬火球墨鑄鐵時的切屑特征、切削力及刀具磨損機理等，Manoj Kumar 等［4-5］研究了金屬陶瓷刀具干切削時的磨損、切削性能，Prabhu 等［6］研究了金剛石涂層刀具干切削時的切削性能，Devillez 等［7-8］研究了涂層硬質合金刀具干式加工時的摩擦特性、磨損方式等。然而，對于性價比更高的硬質合金，特別是非涂層硬質合金刀具干切削研究甚少。本文中，作者以非涂層硬質合金刀具YW2 干車削AISIH13 鋼作為研究過程，分析切削參數(shù)對切削力、零件表面粗糙度以及刀具磨損形態(tài)、機理的影響規(guī)律。

1 實驗方案

硬質合金刀具YW2(T31605F)用于連續(xù)干車削實驗。內六角螺釘固定刀片于刀體上，并把刀體夾持在數(shù)控車床(CLK6140S)的可轉位刀座上，其工作主偏角45°，前角8°，后角8°。工件材料為熱作模具鋼AISIH13 棒材，尺寸為φ50 × 300mm，硬度為HRC43。刀具與零件材料的性能參數(shù)如表1。

表1 零件與刀具材料性能參數(shù)表

切削實驗以切削用量(表2)的一個為變量，另兩個為定值進行。為了獲取準確的實驗數(shù)據(jù)，每次切削到“穩(wěn)定”階段時，讀取測力儀(YDC-Ⅲ89B)上5個切削力值，作為其均值的原始數(shù)據(jù);待零件冷卻到室溫，以便攜式表面粗糙度儀(TR100)測量零件圓柱面上相等間距的5 個位置，作為其均值的初始數(shù)據(jù);工具顯微鏡(XGJ-1)測量后刀面磨損值(按后刀面磨損標準VB為0.3mm)，并以掃描電鏡(S-3400N)觀察其微觀形貌，研究其磨損特征。同時，作為比較目的，其它因素一定，在施加油基切削液的條件下，重復上述切削實驗。

表2 切削參數(shù)表

2 結果與討論

2.1 切削力

圖1 所示為ap=0.2mm，f =0.1mm/r 時，YW2切削AISIH13 的切削力隨切削速度變化曲線。干式切削時，主切削力遠比進給力和徑向力大，且它們均隨切削速度提高而緩慢增大，當vc達到約170m/min時，切削力趨于穩(wěn)定值。原因在于:切削速度的增加導致切削熱散發(fā)慢，從而使加工材料、切屑及刀具溫升快而集中，因此，軟化的加工材料只需較小的切削力，但切屑與刀具間接觸摩擦增大，又需要較大的刀具推力，最終表現(xiàn)為切削力升高緩慢。然而，切削速度達到一定值時，使切削力增大與減小的影響因素達到相對平衡的狀態(tài)，所以，切削力變化很小。

圖1 切削力與切削速度關系圖

圖2、3 分別為vc=40m/min，f=0.1mm/r 與vc=40m/min，ap=0.2mm 時的切削力隨背吃刀量及進給量的曲線圖。顯然，背吃刀量與進給量對切削力的升高影響就要顯著得多。一方面是因為切削厚度(或進給量)的增加，需要更大的力使之發(fā)生形變、剪切;另一方面是大切深(或進給)切削產(chǎn)生更高的切削熱，使零件及刀具材料軟化嚴重，從而相互間摩擦、粘結作用加強，切削力增高。

與干式切削相比較，濕式切削時，其切削力均較大。主要受三方面的因素影響，即在油基切削液的冷卻作用下，待加工材料的機械性能變化小，甚至這種類“淬火”處理還起到強化作用;切屑發(fā)生“二次翹曲”變形，與刀具前刀面接觸長度減小，其摩擦亦降低;另外，切削液的潤滑能在一定程度上減小切屑、已加工面與刀具的摩擦，但對切削力的影響甚小。但無論是干式還是濕式切削，切削深度對切削力的影響最大，切削速度的影響最小。

圖2 切削力與切削深度關系曲線圖

圖3 切削力與進給量關系曲線圖

2.2 工件表面粗糙度

圖4 所示為YW2 切削AISIH13 時的工件表面粗糙度與切削用量關系曲線。可見，干切削時，隨著切削速度的增加，工件表面粗糙度值出現(xiàn)一個短暫的峰值，而后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。主要原因在于低速切削加工時，產(chǎn)生了積屑瘤的緣故，但干切削高溫又使之與前刀面迅速脫離。另外，高切削速度產(chǎn)生的切削熱使零件材料迅速軟化，切削阻力小，刀-屑及刀-已加工面間摩擦小，從而零件表面質量有所提高。而當背吃刀量增大時，切削抗力增大，從而導致機床震顫較大，使零件表面質量有所降低。進給量對表面粗糙度的影響非常明顯，隨其增長，表面加工殘留面高度增大、寬度增寬。所以，在精加工、半精加工時，常采用小進給吃刀量，高切速的切削用量。

圖4 表面粗糙度與切削用量關系曲線

濕式切削時，各切削用量對零件表面粗糙度的影響規(guī)律基本一致，但均較干切削時的差，主要還是兩方面的原因。一是切削液的冷卻，致使零件保持原硬度、強度及塑形性能，甚至由于準冷處理，其性能會略微提高，因此，導致切削抗力較大，刀具磨損增大，從而零件表面粗糙度下降。二是切削液的潤滑，在一定程度上可以減輕刀具-已加工面的摩擦，但接觸處的高溫、高壓使切削液難以進入，因此，其潤滑作用也十分有限。

2.3 刀具磨損

圖5 所示為YW2 切削AISIH13 時的刀具后刀面磨損與切削用量的關系曲線。干切削時，隨著切削速度的增加，干式比濕式切削的刀具磨損要低，且上升趨勢要緩些。與3.1 及3.2 所闡述的理由一致，都是由于干式切削時的高溫使加工材料熱軟化加劇，切削阻力減小，有利于減緩刀具磨損，而另一方面，澆注切削液時，難以保持其均勻性，從而使刀具經(jīng)受不規(guī)則的冷熱交替，容易在刀具上產(chǎn)生裂紋，加速其磨損。在干式或濕式條件下，影響刀具磨損最顯著的是切削深度，其次是進給量，最后是切削速度。原因在于，切削深度的增加，導致切削抗力顯著增大，刀具-切屑及刀具-已加工面的摩擦加劇，刀具磨損嚴重，進給量的影響也是如此;但切削速度的增大，則是切削熱的累積效應，使刀具在局部“過熱”而變軟，耐磨能力變弱，從而刀具磨損加大。

圖5 后刀面磨損與切削用量關系曲線圖

圖6 所示為干式切削時刀具磨損微觀結構。圖6a表明在主偏角為45°的情況下，刀具后刀面與副后刀面磨損成一個倒三角狀。由于連續(xù)干式切削時的切削熱使刀具切削刃附近區(qū)域高溫狀態(tài)，激發(fā)了粘結相的活躍性，并與零件高壓接觸時發(fā)生粘結現(xiàn)象，圖6b 中箭頭指示處即為粘結相夾雜著硬質相脫離后的狀態(tài)，露出了硬質合金內層金屬結構。

圖7 濕式切削時刀具磨損形貌

圖7 所示為濕式切削時刀具磨損微觀結構。圖7a表明切削刃已經(jīng)崩塌，露出不規(guī)則的新鮮里層結構，從斷口的顏色差異來判斷，在切削液的作用下，切削時的高溫、高壓迫使切削液很難進入切削區(qū)，使切削刃及鄰近區(qū)域遭受了不均勻冷卻，從而導致硬質合金表面出現(xiàn)裂紋，繼續(xù)切削極易發(fā)生崩刃現(xiàn)象，微小的不規(guī)則崩刃粒如圖7b 中箭頭所示。

4 結論

(1)干切削力比濕切削力小;切削深度是顯著影響切削力的參數(shù)，其次是進給量，切削速度的影響很小;單就三向切削力而論，主切削力遠較徑向力及進給力大，因其遭受大部分塑性變形抗力。

(2)干式切削時的零件表面粗糙度值較濕式切削時低;進給量是顯著影響因素，背吃刀量次之，切削速度的影響甚微。

(3)干式切削時的刀具磨損較濕式切削時小;影響刀具磨損大小依次是:切削深度，進給量，切削速度。

(4)干式切削時，刀具磨損主要以粘結磨損主;而濕式切削時，刀具磨損主要以崩刃、磨粒磨損為主。

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