車削玻璃陶瓷刀具磨損及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)研究*

馬廉潔，蔡重延，李德震，田俊超，李 孛，鄧 航，畢長波

(1.東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 沈陽 110819)

車削玻璃陶瓷刀具磨損及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)研究*

馬廉潔1,2，蔡重延1，李德震1，田俊超1，李 孛1，鄧 航1，畢長波1

(1.東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 沈陽 110819)

以二硅酸鋰玻璃陶瓷為加工對(duì)象，使用五種不同材質(zhì)的刀具進(jìn)行單因素車削實(shí)驗(yàn)。研究了不同材質(zhì)對(duì)刀具體積磨損量及加工表面粗糙度的影響，并分析了刀具磨損形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，YG6刀具體積磨損量最大，PCD刀具硬度最大因此體積磨損量最小。YG6、YW1、YT14刀具的主要磨損形式是脆性剝落。刀具磨損改變了刀尖處的應(yīng)力分布，玻璃陶瓷萌生更多裂紋。刀具磨損量越大，加工表面凹坑數(shù)目越多，粗糙度越大，表面質(zhì)量越低。PCD刀具最適合車削玻璃陶瓷材料。

體積磨損量；表面粗糙度；玻璃陶瓷；車削

0 引言

陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕以及良好力學(xué)性能，在航空航天、國防軍工、機(jī)器儀表和汽車工業(yè)等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用[1]。然而高脆性和低斷裂韌性等特性使得工程陶瓷在加工時(shí)存在困難，易產(chǎn)生變形層、微裂紋、殘余應(yīng)力等缺陷[2]。玻璃陶瓷的車削加工具有效率高的特點(diǎn)，研究車削過程中的刀具磨損及加工表面質(zhì)量，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

Ferreira等[3]通過不同幾何形狀的陶瓷刀具硬車削AISI H13鋼，研究了表面粗糙度和刀具磨損以及兩者之間關(guān)系。Aouici等[4]使用陶瓷刀具CC670、CC680和立方氮化硼刀具CBN7020切削AISI H11熱作鋼，應(yīng)用響應(yīng)曲面法和方差分析檢查粗糙度的多元線性回歸模型，研究加刀具材料及加工工藝參數(shù)對(duì)粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)CBN7020比陶瓷刀具在切削鋼材是具有更好的切削性能。景秀并等[5]分析了金屬陶瓷刀具的磨損和斷屑機(jī)制，運(yùn)用田口方法獲取了最優(yōu)的切削參數(shù)。Grzesik[6]研究了不同圓弧半徑下陶瓷刀具硬車削刀具磨損對(duì)粗糙度的影響。?zel等[7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與回歸分析提出表面粗糙度和刀具磨損的預(yù)測模型。Peng[8]進(jìn)行預(yù)應(yīng)力切削高溫合金的刀具磨損仿真研究。李亮等[9]研究了加工工藝參數(shù)對(duì)刀具磨損率的影響，并提出了較合適的加工參數(shù)。

本文分析了不同材質(zhì)刀具在相同車削參數(shù)下對(duì)玻璃陶瓷車削后的體積磨損量與磨損形貌，研究了在不同材質(zhì)刀具車削后的表面粗糙度，并指出刀具磨損量與粗糙度的關(guān)系。對(duì)選擇合適的刀具車削硬脆材料具有重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

玻璃陶瓷的干式斷續(xù)車削實(shí)驗(yàn)在CAK5085D型數(shù)控車床(沈陽)上進(jìn)行，工件轉(zhuǎn)速n為600r/min，進(jìn)給量f為0.15mm/r，切削深度ap為0.1mm。工件材料為直徑30mm的二硅酸鋰玻璃陶瓷圓柱體。采用五種不同材料的刀具進(jìn)行車削，表1為五種刀具的硬度。車削同一棒料，每次車削距離為20mm，循環(huán)反復(fù)8次，總車削距離為160mm。

表1 五種刀具的硬度

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 刀具體積磨損量與磨損形態(tài)

圖1所示為五種刀具車削相同距離的體積磨損量，YG6刀具的體積磨損最大，達(dá)到5.68×107μm3，而PCD刀具體積磨損量最小，為2.03×107μm3，CBN刀具的體積磨損略高于PCD，而三種硬質(zhì)合金刀具的體積磨損量明顯高于CBN和PCD，YG6、YW1、YT14刀具的體積磨損量依次減小但是三者相差不大。

圖1 五種刀具體積磨損量

如圖2所示，硬質(zhì)合金刀具刀尖處均發(fā)生較高程度的磨損。YT14刀具主切削刃破損最為嚴(yán)重，在前刀面刀尖處發(fā)生脆性剝落，留下圓弧形的凹坑(如圖2箭頭A)，剝落面積較大。在主切削刃上的磨損不均勻，遠(yuǎn)離刀尖出磨損寬度小于刀尖處，深度卻大于刀尖處。YG6刀具刀尖處圓弧磨鈍，刀尖變成楔形，已無法繼續(xù)車削。主切削刃未出現(xiàn)大面積剝落，磨損較為均勻。YW1刀尖處發(fā)生剝落(如圖2箭頭B)，面積小于YT14，在主切削刃發(fā)生微小崩刃，主切削刃已經(jīng)凹凸不平。

圖2 硬質(zhì)合金刀具磨損形貌

圖3為PCD和CBN刀具的前刀面與后刀面刀尖處的表面形貌。PCD刀具前刀面并未出現(xiàn)明顯磨損，但在刀尖與后刀面處出現(xiàn)磨損。CBN刀具刀尖發(fā)生崩刃，后刀面刀尖處可以觀察到明顯的溝槽痕跡。

(a) PCD前刀面 (b) PCD后刀面 (c) CBN前刀面 (d) CBN后刀面圖3 PCD與CBN刀具磨損形貌

2.2 刀具磨損的原因

在斷續(xù)車削過程中，刀尖與硬度很大的陶瓷棒料發(fā)生擠壓，切削力很大，刀具受到頻繁的沖擊載荷。而刀尖的強(qiáng)度低、散熱性能差，易發(fā)生疲勞斷裂。由于車削和空切的交替變化，刀具表面溫度發(fā)生周期性變化，因此拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交替變化，硬質(zhì)合金類刀具導(dǎo)熱系數(shù)低于PCD，更易引起疲勞開裂。

硬質(zhì)合金刀具脆性大，刀具材料本身存在微觀裂紋和殘余應(yīng)力，車削過程中，裂紋逐漸擴(kuò)展，在前刀面發(fā)生脆性剝落。

陶瓷材料的切除過程與金屬材料的切除過程有所不同，陶瓷脆性大，在車削過程中工件受刀具前刀面的擠壓形成不規(guī)則的崩碎切屑。微小切屑滯留在刀具前刀面與切削層之間，一部分聚集在刀尖處。隨著刀尖與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切屑與刀具前刀面尤其是在刀尖處產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)D壓作用與強(qiáng)烈的摩擦，刀尖逐漸磨損。PCD和CBN刀具磨損小于硬質(zhì)合金，這是因?yàn)镻CD和CBN刀具材料的硬度更大，耐磨性能好，磨損量小。對(duì)于硬質(zhì)合金刀具來說，YT刀具中含有TiC，而TiC的硬度和熔點(diǎn)均比WC高，YT耐磨性更好。而YW刀具在YT的基礎(chǔ)上增加了TaC，提高了抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，因此其磨損破損程度最小。

2.3 表面粗糙度參數(shù)

圖4為五種刀具車削表面粗糙度Ra。采用PCD和CBN刀具車削表面粗糙度小于硬質(zhì)合金類刀具車削表面粗糙度，分別為2.1μm和2.2μm，采用PCD刀具車削表面粗糙度最小，加工表面質(zhì)量最高。三種硬質(zhì)合金類刀具中YG6刀具加工表面粗糙度最大，達(dá)到了4.2μm，但是三種刀具相差不大。因此為了獲得質(zhì)量更高的玻璃陶瓷加工表面，適宜使用PCD或CBN刀具進(jìn)行車削，其中以PCD刀具最佳。

圖4 五種刀具車削表面粗糙度Ra

圖5 五種刀具車削表面輪廓單元平均寬度RSm

輪廓單元的平均寬度RSm是指在一份取樣長度內(nèi)，輪廓峰和輪廓谷組合的輪廓單元寬度Xs的平均值。對(duì)于車削脆性材料后的加工表面來說，該參數(shù)值可以表示加工表面孔隙或者裂紋的密集程度，RSm值越小表示凹坑和裂紋越密集。如圖5所示，PCD刀具車削表面RSm值最大，輪廓微觀不平度平均間距越大，加工表面質(zhì)量最高。YT14、YG6、YW1刀具車削表面RSm值均低于PCD，加工表面質(zhì)量低。

刀具在車削過程中不斷磨損，切削刃幾何形狀改變，引起切削層厚度發(fā)生變化，加工表面殘留面積發(fā)生畸變，這將增大加工表面的不平度。硬質(zhì)合金刀具的磨損嚴(yán)重，在主切削刃附近發(fā)生崩刃與剝落現(xiàn)象，車削過程中會(huì)使加工表面殘留面積高度增大，使粗糙度增大。刀具破損之后會(huì)導(dǎo)致刀刃處出現(xiàn)應(yīng)力集中，改變刀刃前方材料內(nèi)的應(yīng)力分布，在車削過程中這會(huì)誘發(fā)更多裂紋的萌生，裂紋先向前下方擴(kuò)展，然后一邊前進(jìn)一邊向上方擴(kuò)展；最后穿過上部的自由表面，此時(shí)形成較大的薄片狀切屑并在切削表面留下凹痕與裂紋，因此加工表面質(zhì)量降低。由于PCD和CBN刀具磨損量小，能夠保證車削過程的穩(wěn)定性，因此可以獲得更好的加工表面。圖6為五種不同材料刀具車削玻璃陶瓷表面微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)采用硬質(zhì)合金刀具車削表面留下較多大面積的鱗片狀或圓片狀凹坑，凹坑分布連續(xù)且密集。PCD和CBN刀具車削表面凹坑數(shù)目和面積都相對(duì)較小，表面質(zhì)量明顯更高。

(a) YT14 (b) YG6 (c) YW1 (d) PCD (e) CBN圖6 五種不同刀具車削玻璃陶瓷表面形貌

刀具的磨損使切削過程中切削力發(fā)生變化，這些因素亦影響加工表面質(zhì)量。在刀具磨損的前期階段，切削力隨切削時(shí)間呈遞增關(guān)系[10]，切削力增大工件材料發(fā)生更大規(guī)模的破碎去除。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PCD和CBN刀具切削形成的切屑很細(xì)小，硬質(zhì)合金類刀具切削形成切屑成顆粒狀更大。因此PCD與CBN刀具車削表面質(zhì)量更高。

3 結(jié)論

(1)車削玻璃陶瓷材料時(shí)，PCD刀具磨損量最小，CBN次之，硬質(zhì)合金類刀具磨損量大于PCD和CBN，其中YG類刀具的磨損最為嚴(yán)重。硬質(zhì)合金的破損形式主要為脆性片狀剝落。PCD刀具最適合車削玻璃陶瓷材料。

(2)PCD刀具車削陶瓷材料所獲得的加工表面粗糙度Ra值最小，表面凹坑與裂紋數(shù)量少于硬質(zhì)合金類刀具，加工表面質(zhì)量高。硬質(zhì)合金類刀具車削表面粗糙度大。

(3)采用表面輪廓參數(shù)RSm與Ra組合可以較為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)陶瓷材料加工表面形貌特征。PCD刀具車削表面RSm值最大，表面損傷程度越低。

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ExperimentalStudyonToolWearandItsEffectonSurfaceRoughnessinTurningGlassCeramic

MA Lian-jie1,2, CAI Chong-yan1, LI De-zhen1, TIAN Jun-chao1, LI Bei1, DENG Hang1, BI Chang-bo1

(1. School of Control Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao Hebei 066004, China;2. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819,China)

Taking Lithium Disilicate Glass-ceramic as the processing object, the turning experiments were carried out with five turning tools of different materials. The effects of different cutting tool materials on the tool wear and surface roughness, and the character of cutting tools morphology were analyzed in this paper. The experimental results show that the wear volume of YG6 tool is the largest, while the wear volume of PCD tool is the smallest because of its largest hardness. In turning Glass-ceramic, the wear character of YG6, YW1, and YT14 is mainly brittle micro-peeling. Tool wear changes the stress distribution on the tool tip, resulting in more cracks appearing in glass ceramics. The greater amount of tool wear volume, the more pits on the processed surface, the greater surface roughness, and the lower the surface quality. PCD tool is the most suitable for turning glass ceramic.

wear volume; surface roughness; glass-ceramic; turning

TH140.7；TG711

A

1001-2265(2017)12-0137-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.034

2017-01-15

國家自然科學(xué)基金(51275083)

馬廉潔(1970—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，東北大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)橛泊嗖牧霞庸だ碚撆c技術(shù)，(E-mail)mlj@mail.neu.edu.cn。

(編輯李秀敏)