超重型切削過程硬質(zhì)合金刀具高溫力學(xué)特性

程耀楠，劉利，吳明陽，王海婷，敖曉春

(哈爾濱理工大學(xué)“高效切削及刀具”國家地方聯(lián)合工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150080)

超重型切削加工過程中，工件材料去除量達(dá)50%，背吃刀量可達(dá)30 mm以上，切削力最大可達(dá)1 MN，切削溫度可達(dá)1000℃以上，是一種特殊的斷續(xù)切削過程［1］，硬質(zhì)合金刀具與工件表面的接觸狀態(tài)(如切削深度ap和切削寬度aw)時(shí)刻處于不斷地變化中，并且粗糙的大型零部件毛坯鍛件(以加氫反應(yīng)器的大型筒節(jié)為例)表面金屬雜質(zhì)中富含高硬度元素氧化物(SiO2、MnO和Cr2O3等)與刀具存在著非常激烈的摩擦［2］。因此，刀具時(shí)刻承受著變載荷高溫沖擊和機(jī)械沖擊的作用。在超重型切削過程中，交變的高溫沖擊將會導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具切削區(qū)域軟化進(jìn)而產(chǎn)生熱疲勞。在這種情況下，倘若刀具受到驟變機(jī)械沖擊作用便會發(fā)生高溫失效現(xiàn)象，如:高溫塑性變形、撕裂甚至被工件反切。目前，大部分研究認(rèn)為:切削熱載荷以某種方式引起了刀具力學(xué)性能的變化［3］。Boston和Gilbert最先研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具在斷續(xù)切削過程中前刀面很容易會產(chǎn)生熱裂紋［4］。緊接著Zorew N.N.進(jìn)一步提出在退出切削瞬間刀具表面溫度低于內(nèi)部溫度，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力會破壞刀片體原始應(yīng)力平衡［5］。Braiden P.M.和Hoshi T.近期研究發(fā)現(xiàn)，刀具內(nèi)部的塑性變形才是刀具失去切削硬度的真正原因［6］。在超重型切削過程中，刀片參與切削區(qū)域產(chǎn)生的高溫對硬質(zhì)合金刀具的磨損速度以及切屑與刀具之間的摩擦具有極大地影響。本文進(jìn)行超重型切削過程中硬質(zhì)合金刀具高溫力學(xué)特性的研究。

1 切削熱產(chǎn)生及影響分析

1.1 切削熱產(chǎn)生及影響分析

一般情況下，當(dāng)材料發(fā)生的是彈性變形，那么加工所消耗的能量將轉(zhuǎn)化為材料的應(yīng)變能，而不產(chǎn)生熱量。相反，當(dāng)材料產(chǎn)生的是塑性變形，那么加工過程所消耗的能量將大部分轉(zhuǎn)化為熱量。而切削所消耗的功率可表示為［7］

式中:Fz為主切削力，vc為切削速度。

在超重型切削過程中，工件切削區(qū)域材料發(fā)生極大的塑性變形，而彈性變形只占總變形量極小的百分比，因此，在研究過程中可假設(shè)全部能量轉(zhuǎn)化為切削熱。能量轉(zhuǎn)化為切削熱主要產(chǎn)生于切削區(qū)域的2個(gè)主要塑性變形區(qū)(如圖1所示):第一變形區(qū)和第二變形區(qū)。圖1為相同牌號硬質(zhì)合金刀具(角度參數(shù)一致)切削同一種材料切削區(qū)域的溫度分布分析云圖，其中圖1(a)和圖1(b)分別是在仿真軟件Third Wave進(jìn)行的超重型切削與常規(guī)切削仿真分析云圖。

圖1 切削過程中切削熱仿真分析Fig.1 Simulation analysis of cutting heat in cutting process

依圖1所示，工件X點(diǎn)向刀具方向運(yùn)動，在接近和通過第1變形區(qū))時(shí)處于受熱狀態(tài)，離開后被切屑帶走。而Y點(diǎn)會先后通過第1和第2變形區(qū)(刀-屑接觸區(qū))，在其離開切削區(qū)域前一直處于受熱狀態(tài)，過后將熱量傳遞給切屑而冷卻，直到整個(gè)切屑溫度穩(wěn)定。因此，在距刀尖一定距離的前刀面上某部分區(qū)域出現(xiàn)最高溫度。工件Z點(diǎn)受第1變形區(qū)影響而升溫，而第2變形區(qū)的部分切削熱傳遞給刀片，且超重型切削過程中的切削熱主要分布于刀-屑接觸面并沿后刀面一定深度方向上傳遞。根據(jù)熱傳遞定律，超重型切削過程中的熱量函數(shù)關(guān)系為［8］

式中:Qm為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱總量，Qc為單位時(shí)間內(nèi)傳遞給切屑的熱量，Qw為單位時(shí)間內(nèi)傳遞給工件的熱量，Qt為單位時(shí)間內(nèi)傳遞給刀具的熱量。

通常，常規(guī)切削時(shí)流經(jīng)前刀面的切屑流動速度很快，能帶走大部分熱量。而在超重型切削過程中，大切深ap和低切削速度vc導(dǎo)致刀-屑-工件接觸時(shí)間較長，從而造成工件-刀-切屑間接觸區(qū)域的溫度變化大體相同的情況(即溫度高低和變化數(shù)值相似)。因此，分析研究超重型切削過程中硬質(zhì)合金刀具的高溫力學(xué)行為，應(yīng)當(dāng)以分析研究刀-屑接觸區(qū)的溫度分布特點(diǎn)為前提。

硬質(zhì)合金刀具與切屑的接觸面平均溫度計(jì)算可以通過假設(shè)剪切面與刀具前刀面的溫度變化不會相互影響來實(shí)現(xiàn)。因此，單位時(shí)間單位面積由刀-屑接觸面的摩擦產(chǎn)生的熱量Q2為［9］

式中:ωf為刀具前刀面的摩擦能，h為刀-屑接觸長度，J為熱功當(dāng)量。

欲求解刀-屑接觸面的溫度，首先可以先求出切屑的溫度變化量Δθf。同樣的，將切屑視為半無限體，假設(shè)刀-屑間熱傳遞關(guān)系如圖2所示，那么由刀-屑接觸面摩擦產(chǎn)生的熱量Q2，若傳遞給切屑的熱量為λ2Q2，則由刀-屑接觸面摩擦引起的刀具前刀面溫度變化值為［10］

式中:λ2和k2分別為在溫度條件下切屑的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。

為求出λ2的值，必須先計(jì)算出刀具前刀面的平均溫度。因此，可將刀具視為在固定的物體表面存在著穩(wěn)定的熱源來求解。圖2表示的是切削過程中刀具的切削刃與熱源間的關(guān)系，Y軸表示參與切削的切削刃;XY表示刀具的前刀面;ABCD四點(diǎn)構(gòu)成穩(wěn)定的面熱源，熱源面積為:2m×2l，且在半無限體上以Y軸為對稱軸處于靜止?fàn)顟B(tài);而硬質(zhì)合金刀具片可視為1/8無限體。因此，在這種穩(wěn)定狀態(tài)下的平均溫度變化值Δ，可根據(jù)Kelvin熱傳導(dǎo)理論計(jì)算獲得［11］

式中:為面積系數(shù)，是面熱源形狀比m/l的函數(shù)。

圖2 超重型切削過程中熱源分析模型Fig.2 The heat source model in extra-heavy cutting

圖3為面積系數(shù)與面熱源形狀比m/l的函數(shù)關(guān)系曲線圖。圖中Am是與刀具前刀面溫度分布的最大值相對應(yīng)的面積系數(shù)。在超重型車削時(shí)，面熱源形狀比m/l=i/h。因此，根據(jù)式(6)，刀具前刀面的平均溫度計(jì)算公式為

式中:k3為在溫度條件下刀具的導(dǎo)熱系數(shù)，θ0為環(huán)境溫度。

綜合式(5)和式(7)可求得λ2值為

如果將λ2值代入式(5)和式(7)便能計(jì)算出超重型刀具前刀面的平均溫度的值，從而研究在特定溫度條件下硬質(zhì)合金刀具的力學(xué)性能特點(diǎn)(這里主要是指切削硬度)。

圖3 面積系數(shù)與形狀比的函數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Function relation curve of area coefficient and form ratio

1.2 切削溫度對硬質(zhì)合金刀具變形抗力的影響

所謂變形抗力是指在一定的加載條件下和一定的變形溫度、速度條件下，引起承載物體塑性變形的單位變形載荷的大小。超重型切削過程中，刀具承受著工件施加的沖擊載荷(單向壓縮載荷)［12］，因此，其變形抗力就近似等于流動應(yīng)力。

刀具的溫度越高，其機(jī)械性能受到的影響越明顯(特別是切削硬度)。圖4曲線可以說明，隨著溫度的升高，刀具的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)的變化情況。從圖中可知，硬質(zhì)合金刀具在約200℃時(shí)，其變形抗力略微減小，但其塑性變形有所提高。溫度繼續(xù)升至500℃左右時(shí)，其塑性顯著降低，但其強(qiáng)度卻有所提高。出現(xiàn)這種情況，主要是因?yàn)榻饘僭跍厣^程中的時(shí)效效應(yīng)，在金屬受熱和承載部位的滑移面上有碳化物質(zhì)點(diǎn)析出。溫度繼續(xù)升高，造成強(qiáng)度的連續(xù)顯著降低。當(dāng)溫度接近1250℃時(shí)，強(qiáng)度極限僅為初始狀態(tài)的0.1倍左右。

圖4 切削溫度對硬質(zhì)合金刀具變形抗力的影響Fig.4 Influence of cutting temperature on deformation resistance of cemented carbide cutter

在許多學(xué)者實(shí)驗(yàn)工作基礎(chǔ)上，H.C.Кхулну Краков研究表明，對于沒有物理-化學(xué)轉(zhuǎn)變的硬質(zhì)合金，在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，其強(qiáng)度指標(biāo)(硬度、流動極限及強(qiáng)度極限)會隨溫度變化呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系變化(H.C.Кхулну Краков 定律)［13-14］，該定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:Pt1是在溫度為t1時(shí)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值，Pt2是溫度為t2時(shí)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)值，α是溫度系數(shù)。

在無物理-化學(xué)轉(zhuǎn)變的溫度范圍內(nèi)，對具體的金屬或合金而言，溫度系數(shù)α為常數(shù)。在溫度為1100～1250℃范圍內(nèi)，硬質(zhì)合金的塑性有降低的現(xiàn)象發(fā)生，這主要是因?yàn)樵谧冃误w內(nèi)同時(shí)存在2種不同性能的金屬相，這就加劇了硬質(zhì)合金內(nèi)部應(yīng)力和變形狀態(tài)的不均勻性。通常情況下，所有金屬及其合金，在再結(jié)晶溫度下具有最高的塑性，低的強(qiáng)度指標(biāo)和低的變形抗力［15］。

綜合圖4可看出，切削過程中當(dāng)硬質(zhì)合金刀具切削區(qū)域被加熱到熱變形溫度時(shí)(開始喪失切削硬度)，塑性的提高是由于其金屬原子的熱動性增強(qiáng)及材料軟化所引起的(如圖5(a)所示，軟化金屬微觀相)。同時(shí)，隨著其塑性化程度的增加也會產(chǎn)生一些其他現(xiàn)象，例如，在熱變形溫度下，硬質(zhì)合金刀片在刀-屑接觸區(qū)往往會形成數(shù)微米的硬化層(如圖5(b)所示)。

圖5 熱變形溫度條件下硬質(zhì)合金刀片微觀組織形貌Fig.5 Microstructure of cemented carbide cutter in distortion temperature

硬質(zhì)合金刀具的高溫硬度特性，不僅決定了其切削的有效性，同時(shí)也影響了其使用壽命。切削區(qū)域的高溫環(huán)境容易引起刀具材料喪失切削硬度，波動機(jī)械沖擊載荷會使刀片參與切削區(qū)域產(chǎn)生高溫疲勞，進(jìn)而引起高溫失效情況的發(fā)生，如:高溫塑性變形和撕裂(主要是刀-屑粘結(jié)作用引起的)以及工件反切。而粘結(jié)破損是超重型切削過程中硬質(zhì)合金刀具高溫失效過程中最先發(fā)生也是較為常見的一種失效形式。硬質(zhì)合金刀具中富含Co元素，該元素與工件材料中的Fe屬同族元素，親和力較強(qiáng)，在高溫和高壓狀態(tài)下刀具材料軟化［16］，其粘結(jié)相Co元素與工件材料中的Fe等元素容易熔融在一起從而形成破損初期的刀-屑粘結(jié)現(xiàn)象(如圖6所示)［17-18］。因此，保證硬質(zhì)合金刀具的高溫力學(xué)性能的前提是保證其具有良好的高溫硬度特性。

圖6 硬質(zhì)合金刀具粘結(jié)破損形貌Fig.6 Bonding breakage morphology of cemented carbide cutter

2 切削溫度測量及刀具高溫硬度實(shí)驗(yàn)

超重型切削過程中，切削溫度很高(特別是刀具主切削刃附近，溫度更是高達(dá)1 000℃左右)。切削溫度上升，容易引起刀具材料軟化，降低其抗磨損性能。因此，分析研究硬質(zhì)合金刀具和工件材料在不同溫度條件下的硬度變化特點(diǎn)，總結(jié)其變化規(guī)律性是研究刀具高溫力學(xué)特性的基礎(chǔ)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)一:在大型立車上進(jìn)行高溫高強(qiáng)度鋼2.25Cr-1Mo-0.25V的切削。先對W330接觸式測溫儀進(jìn)行標(biāo)定，接著將其傳感觸頭與主切削刃距離切削刀尖某距離處進(jìn)行接觸固定以測量切削溫度和熱量變化情況，通過熱力學(xué)傅里葉定律(如式(10))反推出刀尖附近的切削溫度值。

式中:k為刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù);A為熱傳遞面積;x為熱傳遞面上的坐標(biāo);t為溫度，dt/dx為刀具沿x方向上溫度變化率。

實(shí)驗(yàn)二:室溫20℃(工廠環(huán)境溫度);實(shí)驗(yàn)設(shè)備:萬能硬度計(jì)U9000(實(shí)驗(yàn)力加載時(shí)間為5 s)、管式箱式高溫爐(最高溫度1300℃);刀具材料:YT15硬質(zhì)合金(工廠現(xiàn)用牌號)、SCS和WF硬質(zhì)合金(實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)件如圖7所示);工件材料:2.25Cr-1Mo-0.25V鋼、42CrMo和45鋼。

硬度是將試塊加熱到所需溫度，并保溫一段時(shí)間后在U9000萬能硬度計(jì)上測量的。載物臺用高溫石棉網(wǎng)(極限抗高溫3000℃)、高硬隔熱墊等材料(在不影響載物臺穩(wěn)定性前提下)進(jìn)行隔熱保護(hù)處理，測量采用一次性的球錐菱形壓頭，實(shí)驗(yàn)壓力為60g。由于載物臺進(jìn)行隔熱保戶處理，可盡可能的降低試塊的溫度損失，確保其載荷作用溫度接近刀具切削時(shí)所處的溫度范圍。由于實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，因此壓塊所處的外部環(huán)境與刀具工作環(huán)境近似。

圖7 測量設(shè)備及試件Fig.7 Measuring equipment and specimens

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.2.1 超重型切削溫度

根據(jù)熱傳遞原理，刀具材料的熱常數(shù)k、ρ和c都是溫度的常數(shù)。依據(jù)Loewen等學(xué)者的研究，如果對k、ρ和c取平均值，可以做出理論曲線B如圖8所示。切削實(shí)驗(yàn)表明，切削速度對切削溫度的影響較大。通過實(shí)驗(yàn)將所測數(shù)據(jù)描繪至圖中，可以看出理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，二者的變化情況極為一致。因此，理論分析硬質(zhì)合金刀具前刀面的溫度模型是有效可靠的。

圖8 刀－屑接觸界面溫度與切削速度關(guān)系Fig.8 Relationship between temperature and cutting speed in contact interface of insert-chip

需要注意的是，本實(shí)驗(yàn)采用W330接觸式測溫儀測量切削溫度時(shí)，只能獲得刀-屑接觸面上的某點(diǎn)的平均溫度，因此結(jié)果誤差比較大。實(shí)際切削過程中，從切削刃到切屑與前刀面的接觸區(qū)域處，切削溫度是越來越高的。因此，本實(shí)驗(yàn)的主要缺點(diǎn)是無法直接測量切削過程中的最高切削溫度。

通常，工件材料的去除率與切削速度和進(jìn)給量成正比。有研究表明，進(jìn)給量對切削溫度的影響小于切削速度對切削溫度的影響。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，要獲得最大的材料去除率和最大的刀具使用壽命，應(yīng)當(dāng)采用盡可能大的進(jìn)給量。這是因?yàn)樵龃筮M(jìn)給量比增大切削速度對切削溫度升高的影響要小，低的切削溫度能延緩硬質(zhì)合金刀具的高溫軟化。

2.2.2 高溫硬度

實(shí)驗(yàn)過程中分別對3種硬質(zhì)合金材料和3種工件材料進(jìn)行了高溫硬度試驗(yàn)，采集了相關(guān)數(shù)據(jù)，從而繪制出硬度隨溫升變化的關(guān)系圖9。

圖9 硬質(zhì)合金與工件材料高溫硬度特性曲線Fig.9 High temperature hardness curve of cemented carbide and workpiece

圖9(a)為溫升與不同牌號硬質(zhì)合金刀片切削區(qū)域硬度關(guān)系曲線。從曲線上可以看出，3種牌號硬質(zhì)合金硬度隨著溫度的升高而下降，其中WF牌號硬質(zhì)合金硬度下降趨勢較為平緩，而SCS和YT15 2種硬質(zhì)合金在某一高溫情況下(分別約為:700℃和800℃)硬度有上升的現(xiàn)象產(chǎn)生，研究發(fā)現(xiàn)在這種溫度下硬質(zhì)合金發(fā)生了高溫氧化，但是氧化層是有一定的深度范圍的，只有達(dá)到一定的深度范圍才能使合金材料的表面硬度上升，即硬化效應(yīng)。當(dāng)隨著溫度升高后，不同合金相間以及相同合金相間的結(jié)合強(qiáng)度被弱化的速度和程度超過了合金表面的再氧化(或二次氧化)速度時(shí)，合金材料便會出現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度軟化的行為，即合金軟化效應(yīng)。

圖9(b)為溫升與不同工件材料切削區(qū)域硬度關(guān)系曲線。當(dāng)溫度在20～600℃范圍內(nèi)時(shí)，3種工件材料的硬度下降比較平緩。在溫度超過600℃后，3種材料的硬度下降比較明顯，但2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的硬度下降總體最為平緩。從硬度上對比，按順序依次增強(qiáng):45 鋼、42CrMo、2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼，這也從側(cè)面反映了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的韌性高于前2種材料，同時(shí)更好的證實(shí)了此種材料具有高溫粘性和高溫韌性的特點(diǎn)。綜合分析圖9可知:雖然刀具材料和工件材料硬度隨溫度的上升而下降，但在1 000℃前SCS和WF仍具有切削所需的硬度值;而YT15在1 000℃時(shí)較軟，容易產(chǎn)生高溫失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，驗(yàn)證了溫度對硬質(zhì)合金刀具變形抗力具有明顯的影響作用。

3 重型硬質(zhì)合金刀具抗高溫措施

通過以上的實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具材料與工件材料的硬度隨著溫度的升高而降低，然而工件材料硬度的降低有利于切削加工，刀具材料硬度的降低會影響到刀具的使用壽命，不利于切削加工。所以，在較高的切削溫度條件下盡可能的保證刀具材料的切削硬度，對提高硬質(zhì)合金刀具的使用壽命和高效性顯得極為重要。

圖10(a)中的YT15重型焊接硬質(zhì)合金刀具，刀具前角為0，沒有斷屑槽和涂層，目前在大型零件重型切削加工過程中依然被大量使用。但是這種刀具使用壽命低，在超重型切削條件下非常容易破損、失效，尤其是在高溫、高壓作用下的失效。因?yàn)?，此刀具前角?，導(dǎo)致切削過程中切削力大，消耗切削功率增大，切削區(qū)域的摩擦加劇，加上沒有斷屑槽，導(dǎo)致切屑變形區(qū)的擠壓變形非常嚴(yán)重，這些因素都將產(chǎn)生大量的切削熱，在沒有涂層的保護(hù)下，硬質(zhì)合金刀具直接受到切削熱的作用，很難保證正常的切削壽命。所以非常有必要對重型切削刀具設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

圖10 重型切削刀片F(xiàn)ig.10 Heavy cutting cutter

3.1 刀具幾何結(jié)構(gòu)

圖10(b)中的刀具XF8為優(yōu)化設(shè)計(jì)的重型切削可轉(zhuǎn)位刀具，擁有4個(gè)切削刃，提高了刀具的利用率。通過分析大型零件的超重型切削特點(diǎn)，采用理論計(jì)算的方法確定了XF8的尺寸及幾何角度。XF8采用10°的正前角和倒梯形斷屑槽，可以減小切削功率，降低切屑與前刀面的摩擦程度，從而減少切削熱的產(chǎn)生，斷屑槽可以增加切屑的斷屑頻率，從而使切屑帶走大量的切削熱。從根本上減小切削熱對重型硬質(zhì)合金刀具材料的作用。

3.2 刀具涂層

根據(jù)超重型切削對刀具機(jī)械性能的要求，尤其要考慮刀具材料的硬度、抗磨損性能與斷裂韌性的相互制約性等問題，因?yàn)橛捕忍岣?，韌性不可避免的降低。解決這個(gè)問題可以通過刀具表面強(qiáng)化處理技術(shù)(涂層技術(shù))來實(shí)現(xiàn)［19］。

因此，在選擇適當(dāng)?shù)挠操|(zhì)合金基體后，需要在基體上涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的涂層材料，目前較為合適的涂層材料有:TiN、TiCN、A12O3等［20-21］。而將多種涂層材料通過采用復(fù)合涂覆的方法，使硬質(zhì)合金刀具具有全面、良好的綜合機(jī)械性能。作者所在團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出一種新型超重型切削刀片，并且應(yīng)用了復(fù)合涂層技術(shù)(涂層結(jié)構(gòu)如圖10所示)。TiCN涂層一般厚度為3 μm，硬度可達(dá)到HV2 000～3 000，有很好的耐磨性和耐燒結(jié)性，并且熱膨脹率與硬質(zhì)合金基體相似，不與其他涂層起反應(yīng)，因此可作為復(fù)合涂層的底層。A12O3硬質(zhì)涂層具有高熔點(diǎn)、高硬度、優(yōu)異的熱和化學(xué)惰性等特點(diǎn)，適合涂覆前刀面和復(fù)合涂層的中間層。

TiN外觀顏色為黃色，其表面硬度達(dá)HV3000(表面洛氏硬度 HR88.6)，而涂層厚僅有3～5 μm，不易影響工件尺寸與形狀精度，同時(shí)能使刀具表面具有耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等特殊功能，因此適合涂覆硬質(zhì)合金刀具的后刀面和刀片底部，起到減少切削熱向刀桿傳遞的作用，從而減小切削熱對刀桿的影響。涂層能有效的提高刀具抗高溫性能，同時(shí)較好地解決了刀具強(qiáng)度和韌性之間的矛盾，減小了刀具粘結(jié)破損出現(xiàn)頻率和磨損速率，大大提高了刀具的使用壽命和切削速度，并可節(jié)約材料資源、降低能耗。

3.3 刀具壽命對比

在大型6.4 m立式車床上進(jìn)行XF8和YT15刀具切削2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應(yīng)器筒節(jié)實(shí)驗(yàn)，選擇5組接近實(shí)際加工的切削參數(shù)，以軸向切削長度作為刀具壽命測定方式。如圖11所示，在5組切削參數(shù)下，XF8的壽命是YT15的2～5倍。

圖11 XF8和YT15刀具壽命對比Fig.11 The cutter life comparison of XF8 and YT15

4 結(jié)論

通過理論分析、數(shù)值計(jì)算模擬以及高溫性能試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在超重型切削過程中切削熱產(chǎn)生機(jī)理及硬質(zhì)合金刀具高溫力學(xué)特性等方面進(jìn)行研究，研究結(jié)果如下:

1)對超重型切削和普通切削2.25Cr-1Mo-0.25V鋼過程進(jìn)行了有限元仿真，并通過理論分析建立了硬質(zhì)合金刀具刀-屑接觸界面切削溫度模型，結(jié)合切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了切削溫度模型的有效性及可靠性。

2)通過溫升實(shí)驗(yàn)，分析溫升過程中硬質(zhì)合金硬度與溫度的關(guān)系，揭示了硬質(zhì)合金刀具硬度性能的溫升規(guī)律。發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金材料硬度隨著溫度升高而減小，YT15在1 000℃時(shí)硬度明顯減低，力學(xué)性能容易發(fā)生變化;3種工件材料中45號鋼的硬度最高，其次是42CrMo，但是它們隨溫度升高，硬度下降最明顯，而2.25Cr-1Mo-0.25V鋼硬度下降平緩，從側(cè)面證實(shí)其具有高溫粘性和高溫韌性。在1 000℃時(shí)，硬質(zhì)合金和工件材料的硬度分別下降了28%和60%左右。

3)綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀片抗高溫性能的提效措施，即從刀具幾何結(jié)構(gòu)和復(fù)合涂層技術(shù)兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和刀具表面強(qiáng)化技術(shù)，提高其耐高溫、耐磨、抗氧化等性能。通過5組切削參數(shù)下的刀具壽命對比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重型切削刀具XF8的壽命是YT15的2～5倍。

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