PCD刀具高速干式切削銅合金的磨損研究

楊海軍， 董 海， 王 磊， 朱袁琦

(大連理工大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116024)

PCD刀具具有硬度高、熱膨脹系數(shù)低、導熱性及耐磨性好等優(yōu)良特性，可在高速切削中獲得較高的加工精度和加工效率[1]，在航空航天、汽車、復合材料等切削加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。干式切削技術(shù)是目前新興的一種綠色制造技術(shù)，可完全不使用切削液而進行切削加工，從根本上消除了傳統(tǒng)切削污染環(huán)境、危害工人健康所帶來的一系列負面影響。因此，將PCD刀具的高速切削技術(shù)和干式切削技術(shù)有機融合，結(jié)合各自優(yōu)點，發(fā)展出一種新的真正可持續(xù)發(fā)展的綠色高效切削技術(shù)，將會是未來切削加工技術(shù)發(fā)展的一個重要方向[2]。

目前，已有一些國內(nèi)外學者對PCD刀具的綠色切削開展了相關(guān)的研究工作。 SALES等[3]研究了PCD刀具在液氮、液氮和微量潤滑油混合以及切削油3種條件下, 精加工Ti6Al4V合金的磨損形貌和磨損機理。PATTNAIK等[4]進行了PCD刀具、硬質(zhì)合金刀具以及TiN和Al2O3涂層硬質(zhì)合金刀具干式切削鋁合金的磨損研究，結(jié)果表明PCD刀具能夠獲得更好的表面質(zhì)量及較小的刀具磨損量。SU等[5]進行了微溝槽PCD刀具和普通PCD刀具干式切削Ti6Al4V的切削性能對比分析，得出具有微溝槽結(jié)構(gòu)的PCD刀具能有效降低切削力和刀屑摩擦力。然而, 目前針對PCD刀具干式切削應(yīng)用于高速加工領(lǐng)域的研究還較少。因此，深入研究PCD刀具在高速干式切削下的磨損機理，對于探討PCD刀具在綠色切削技術(shù)的應(yīng)用具有重要的指導意義。

我們使用PCD刀具進行了錫青銅合金材料高速干式切削試驗。借助掃描電鏡 (SEM)和X射線能譜 (EDS) 等手段觀察PCD刀具的磨損形態(tài)及分析磨損區(qū)域表面的化學成分，并以此研究刀具的磨損機理，為進一步減小刀具磨損、優(yōu)化PCD刀具幾何參數(shù)，提高加工精度和加工質(zhì)量提供參考。

1 試驗條件及方案

1.1 試驗裝置及材料

試驗用機床為西鐵城GN-3200W型高精度CNC加工中心，主軸轉(zhuǎn)速0～8000 r/min。試驗材料是牌號為SAE67N的錫鉛青銅合金，規(guī)格為φ13 mm×8 mm，具體化學成分及力學性能分別如表1和表2所示。

表1 錫鉛青銅合金SAE67N的化學成分

表2 錫鉛青銅合金SAE67N的力學性能

選用英國Element Six公司牌號為CTB010 的PCD刀具進行車削試驗。其參數(shù)為：前角γ0=6°，后角α0=8°，刃傾角λs=5°，刀尖圓弧半徑rε=0.2 mm，主偏角κr=45°，副偏角κr′=95°。

1.2 試驗方案

用所選的PCD刀具進行錫青銅合金工件的高速干式切削加工，刀具數(shù)量100把，每把刀具加工的工件數(shù)量為3000件，切削參數(shù)如表3所示。最后，用體視顯微鏡和JSM-6360型掃描電鏡對刀具磨損形貌進行觀察，X射線能譜儀對刀具磨損區(qū)域化學成分進行分析。

表3 切削參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

通過體視顯微鏡對加工后的100把刀具放大50倍進行觀察，統(tǒng)計刀具的磨損形式，其結(jié)果如圖1所示。圖1的數(shù)據(jù)表明：刀具的主要磨損形式為后刀面磨損及前刀面磨損，且后刀面磨損最大，同時還伴隨著脆性破損。

圖1 刀具磨損形式比例圖

2.1 前刀面磨損

圖2所示為試驗前PCD刀具的前刀面SEM圖，圖3為加工后PCD刀具前刀面磨損形貌SEM圖。

圖2 試驗前PCD刀具前刀面SEM圖

由圖3a、圖3b可以看出：加工后的刀具前刀面磨損形態(tài)基本相似，都沒有出現(xiàn)典型的月牙洼磨損，而是出現(xiàn)不同程度的片狀剝落現(xiàn)象，但剝落深度總體較??；剝落區(qū)域則從切削刃沿切屑流出的方向擴展，深度逐漸增加；且隨著切屑與前刀面分離，剝落深度又逐漸減小。另外，從圖3中還可觀察到：刀具已經(jīng)出現(xiàn)了輕微的崩刃現(xiàn)象，且磨損區(qū)域還存在著刀屑黏結(jié)物(如圖3b箭頭所示)。

(a)

(b)

2.2 后刀面磨損

后刀面磨損是高速干式切削銅合金材料的主要磨損形式，圖4為試驗前PCD刀具的后刀面SEM圖，圖5為加工后后刀面磨損SEM圖。

由圖5可知:后刀面磨損區(qū)域為后刀面靠近主切削刃處，但磨損形態(tài)并不同于普通車削會磨出一個棱面的形式[6]，而是呈現(xiàn)出輕微的破損形態(tài)。這主要是因為在高速干式切削條件下，缺乏冷卻和潤滑作用，后刀面與工件已加工表面相互接觸和摩擦，產(chǎn)生的熱量無法及時排出，導致后刀面的溫度升高從而加劇了刀具的磨損。另外，如圖5中箭頭所示，在磨損的區(qū)域也出現(xiàn)了刀具與工件的黏結(jié)現(xiàn)象。

圖4 試驗前PCD刀具后刀面SEM圖

v=245 m/min；ap=0.04 mm；f=0.04 mm/r

2.3 脆性破損

在PCD高速干式切削銅合金的過程中，刀具除了正常磨損外，還伴隨有脆性破損。主要是因為在高速干式切削過程中，PCD刀具受到較大的切削應(yīng)力和熱應(yīng)力的沖擊，當超過刀具的應(yīng)力強度時則出現(xiàn)脆性破損。圖6為PCD刀具的破損形貌SEM圖。

(1)崩刃：在切削刃局部產(chǎn)生較大的缺口。主要是干式切削下，產(chǎn)生的較大的切削應(yīng)力超過刀刃的強度造成的，如圖6a所示。

(2)碎斷：切削刃整體斷裂，刀具破損較為嚴重。在切削過程中，受到機械和熱沖擊時，由于刀刃強度不足極易產(chǎn)生碎斷，如圖6b所示。

(3)剝落：干式切削條件下，機械應(yīng)力和熱應(yīng)力沖擊刀具產(chǎn)生裂紋后, 粘在刀具上的切屑(如圖6c箭頭所示)在切入和切出時，容易使刀具產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，如圖6c所示。

(a)崩刃：v=245 m/min；ap=0.04 mm；f=0.04 mm/r

(b)碎斷：v=245 m/min；ap=0.04 mm；f=0.04 mm/r

(c)剝落：v=245 m/min；ap=0.04 mm；f=0.04 mm/r

PCD刀具產(chǎn)生這些脆性破損的原因，一方面是由于工件材料本身的物理、力學性能分布不規(guī)則和不均勻，導致在干式切削時難免存在斷續(xù)切削和切削振動，會對刀具造成強烈的機械和熱沖擊；沖擊載荷產(chǎn)生的應(yīng)力超過了刀具的強度，再加上PCD刀具的硬度高、脆性大、焊接不均勻等, 很容易引起刀具破損, 特別是在切削早期階段，破損時有發(fā)生。另一方面是由于干式切削條件下，缺乏冷卻和潤滑作用，加劇了PCD刀具的磨損。隨著刀具的不斷磨損和微崩刃，同時伴隨著擴散、氧化等化學變化，不斷削弱刀具的強度，使得刀具在持續(xù)地切削過程中最終出現(xiàn)了脆性破損。

根據(jù)以上試驗結(jié)果和分析，對于所選用的PCD刀具，需從材料以及切削參數(shù)方面進行改良和優(yōu)化設(shè)計。如采用更好性能的金剛石復合片、更小的刀具偏角和前角等，以增加刀尖強度和刀具的散熱面積，從而降低刀具的磨損程度，提高刀具的壽命，保證加工效率。

2.4 磨損機理分析

刀具高速切削金屬材料時，切削溫度可高達800 ℃以上[7]，而在干式條件下，溫度會更高。在此溫度下，熱和化學反應(yīng)等多種因素就會共同作用從而導致刀具的磨損。圖7為刀具前刀面磨損SEM圖。為比較不同位置的磨損差異，在前刀面上選取如圖7所示的3個測試點進行能譜分析。能譜半定量分析結(jié)果如表4所示。

圖7 前刀面磨損形貌圖

表4 能譜半定量分析結(jié)果

(1)氧化磨損

對表4的半定量數(shù)據(jù)進行分析，可以看到：在刀具磨損區(qū)域內(nèi)，1、2點相對于3點O元素含量較高，C、Co含量均有所降低，由此表明刀具磨損區(qū)域發(fā)生了高溫下的氧化磨損。在干式切削條件下，切削溫度較高，金剛石中的C就容易與空氣中的氧氣發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生磨損。同時，在切削溫度上升過程中，PCD刀具中的黏結(jié)劑Co也會與氧發(fā)生反應(yīng)生成Co3O4和CoO。由于氧化物硬度較低，極易被切屑帶走，從而造成刀具黏結(jié)強度降低，破壞了刀具的質(zhì)量，造成刀具的磨損。且位于刀尖區(qū)域的1點的O元素含量相對于2點的較高，C、Co含量相對較低，這是由于刀尖圓弧部分是與工件最早接觸的區(qū)域，切削時溫度最高，刀具的氧化反應(yīng)發(fā)生得更為劇烈。

(2)擴散磨損

對表4中的數(shù)據(jù)分析還可發(fā)現(xiàn)：前刀面缺口處2點與1點、3點比，工件材料中存在較多的Cu元素，這些Cu元素刀具本身沒有，都是銅合金擴散而來，這就證實了在切削刃處發(fā)生了擴散磨損。由于擴散磨損的主要影響因素為切削溫度和刀具材料的化學成分，且切削溫度越高，擴散程度越嚴重。因此，PCD在高速干式切削銅合金時，極易發(fā)生擴散磨損。這主要是因為高溫條件下，切削刀具表面和被加工材料新鮮表面接觸時，分子活動較為劇烈，造成了元素之間的相互擴散、替換，從而降低了刀具的強度和硬度，改變了刀具的切削性能，造成刀具的磨損。

3 結(jié)論

(1)PCD刀具在高速干式切削錫青銅合金材料過程中，切削溫度較高，刀具磨損形式主要表現(xiàn)為前刀面的片狀剝落和后刀面的輕微破損；同時還伴隨著機械應(yīng)力和熱應(yīng)力沖擊下的更為嚴重的脆性破損，脆性破損主要表現(xiàn)為崩刃、切削刃整體碎斷以及前后刀面的大面積剝落。

(2)刀具磨損的主要原因是切削高溫引起的氧化磨損和擴散磨損。氧化磨損主要由金剛石刀具中的C和Co在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)而形成；擴散磨損主要由工件材料和刀具材料元素間的相互擴散所造成。

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