YG8硬質(zhì)合金刀具干切削鋁合金表面粗糙度及刀具磨損研究*＊

劉麗云 王金芳 涂志標(biāo) 慶振華 葉 楨

(①臺州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江臺州318000;②合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥230009)

鋁合金材料具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、強(qiáng)度高等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)學(xué)、汽車等領(lǐng)域［1－3］，但由于鋁合金熔點(diǎn)低，溫度升高后塑形增大，在高溫高壓作用下，切屑容易軟化粘刀，嚴(yán)重影響刀具壽命，導(dǎo)致鋁合金加工表面粗糙度不理想。國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金的切削加工性能展開了較多的研究，文獻(xiàn)［4］研究了PCD刀具在車削硬鋁合金2A12過程工藝參數(shù)對其表面質(zhì)量、切屑形態(tài)等方面的影響。文獻(xiàn)［5］展開了金剛石刀具和硬質(zhì)合金刀具高速銑削7075－T6的表面質(zhì)量和切屑形態(tài)的研究。文獻(xiàn)［6］基于多種切削試驗(yàn)，對影響鋁合金車削加工表面質(zhì)量的主要因素進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)［7］研究了PCD車削鋁合金時切削三要素對加工表面粗糙度的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［8］研究了高速切削鋁合金時切削速度對硬質(zhì)合金涂層刀具的磨損影響。文獻(xiàn)［9］對涂層硬質(zhì)合金刀具車削鋁合金2024時的刀具磨損和切削用量對加工表面的影響展開了研究。文獻(xiàn)［10］研究了PCD刀具斷續(xù)車削鋁合金時的刀具磨損情況?？傮w來說，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的涂層硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具切削加工鋁合金的切削性能研究，而對普通YG類硬質(zhì)合金刀具切削加工鋁合金鮮見報道。YG類硬質(zhì)合金是切削鋁合金材料的常用刀具材料，開展YG類硬質(zhì)合金對鋁合金材料的加工工藝研究，選擇合理的切削用量，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著較好的實(shí)用價值。

本文基于正交試驗(yàn)，采用YG8硬質(zhì)合金刀具對鋁合金進(jìn)行切削加工，檢測加工表面粗糙度，研究切削三要素對鋁合金加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，同時研究了YG8硬質(zhì)合金刀具磨損情況，為YG8硬質(zhì)合金切削加工鋁合金提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)選用6061鋁合金作為切削加工對象，其化學(xué)成分見表1所示。切削刀具為YG8硬質(zhì)合金，切削試驗(yàn)在大連機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的CA6140車床上進(jìn)行，冷卻條件為干切削。設(shè)計正交試驗(yàn)，以切削用量三要素切削速度、進(jìn)給量和切削深度作為試驗(yàn)的3個因素，以工件加工表面粗糙度為評價指標(biāo)，使用三因素三水平正交表L9，具體因素水平如表2所示，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)采用全新刀片。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 試驗(yàn)因素水平表

采用Axio CSM 700共聚焦顯微鏡測量加工表面粗糙度，取輪廓算術(shù)平均偏差Ra作為評價參數(shù)，每組試驗(yàn)隨機(jī)檢測5個表面粗糙度值，并求其平均值。采用掃描電子顯微鏡觀察刀具磨損表面，采用能譜分析儀進(jìn)行刀具表面的元素分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)對加工表面粗糙度的影響

正交試驗(yàn)的具體方案與結(jié)果如表3所示，表中Ki所對應(yīng)的數(shù)值分別表示任一列水平號為i時所對應(yīng)的表面粗糙度值之和，極差R為任一列的K1、K2、K3中最大值與最小值之差，極差越大，表示該影響因素對表面粗糙度的影響越大。由表3可以看出，進(jìn)給量對表面粗糙度的影響最大，其次是切削速度，而背吃刀量對加工表面粗糙度的影響最小。

表3 正交試驗(yàn)方案

圖1顯示了切削三要素對加工表面粗糙度的影響，縱坐標(biāo)Ra為各水平三組試驗(yàn)結(jié)果的平均值。圖1a為進(jìn)給量對加工表面粗糙度的影響，加工表面粗糙度值隨著進(jìn)給量的增大而顯著增大，這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增大，切削層公稱橫截面積增大，導(dǎo)致切削力增大，使加工表面粗糙度值增大，同時減小進(jìn)給量，不但可以減小殘留面積，而且可以減小積屑瘤和鱗刺的高度，因此可以顯著減小加工表面粗糙度值。圖1b為切削速度對加工表面粗糙度的影響。從圖中看出，隨著切削速度的增大，加工表面粗糙度值逐漸減小，這主要是因?yàn)殡S著切削速度的增大，刀具與加工工件接觸時間減小，從而減小積屑瘤和鱗刺甚至消失，同時，提高切削速度可以減小工件材料的塑性變形，因而表面粗糙度值會減小。圖1c為背吃刀量對加工表面粗糙度的影響，背吃刀量的改變對加工表面粗糙度影響不顯著，當(dāng)背吃刀量為0.2 mm和0.4 mm時，相比于背吃刀量為0.1 mm時，加工表面粗糙度值都有小幅增大。背吃刀量的增大會使切削層公稱截面積增大，導(dǎo)致刀具與加工表面的正壓力和摩擦力增大，從而使加工表面粗糙度值也稍微增大，另外，較小的背吃刀量可以減小工件的振動，從而減小加工表面粗糙度值。而圖中當(dāng)背吃刀量為0.4 mm時，相比背吃刀量為0.2 mm時，表面粗糙度值反而小幅減小，這可能是由于切削加工過程中存在的動平衡、精度、剛度等引起的微振動以及測量誤差導(dǎo)致的表面粗糙度值的波動。

2.2 刀具磨損表面形貌分析

圖2為YG8硬質(zhì)合金刀具切削鋁合金磨損后的前刀面形貌。圖2a為整體形貌，圖2b為圖2a區(qū)域A的局部放大圖，圖2c為圖2b中方框所指區(qū)域的EDS圖譜，圖2d為前刀面遠(yuǎn)離主切削刃到切削刃的元素線掃描分布。圖2a、b、c表明，刀具前刀面和刀具切削刃上都存在較多的切屑的粘結(jié)物，從圖2d可以看出，前刀面距離主切削刃近1 mm的區(qū)域范圍內(nèi)，切屑粘結(jié)物成分Al幾乎全面覆蓋了刀具的自身包含元素W。從圖2a中還可以見到積屑瘤的存在，由于6061鋁合金硬度低，粘性較大，切屑與刀具前刀面的摩擦系數(shù)大，切屑與刀具在高溫下產(chǎn)生膠焊，產(chǎn)生積屑瘤，而積屑瘤的硬度一般要比加工對象原材料的硬度要高，在切削過程中可以代替切削刃進(jìn)行切削加工，因此提高了切削刃的耐磨性，所以從圖中未看到刀具前刀面的大幅磨損，同時也未見到粘結(jié)物脫落造成的切削刃破損和月牙洼磨損。

圖3為YG8硬質(zhì)合金刀具切削鋁合金磨損后的主后刀面形貌。圖3a為整體形貌，圖3b為圖3a的放大圖，圖3c為主后刀面遠(yuǎn)離主切削刃到切削刃的元素線掃描分布。從圖3a可以看出，YG硬質(zhì)合金切削鋁合金時，主后刀面存在較均勻的磨損帶，同時從圖3b可以看出，磨損帶呈深淺不一的犁耕狀痕跡，且刀尖圓弧部分存在刀具材料的剝落現(xiàn)象。這是因?yàn)?061鋁合金主要的合金元素為鎂和硅，形成高脆性的Mg2Si相，脫落的Mg2Si和機(jī)械瘤等高硬晶粒如同磨粒一樣與刀具主后刀面摩擦刻劃形成犁耕狀痕跡，造成刀具的磨粒磨損。EDS能譜線掃描顯示，后刀面距離切削刃100 μmAl成分較高。

3 結(jié)語

(1)采用YG8硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鋁合金切削正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:切削用量三要素對加工表面粗糙度影響最大的是進(jìn)給量，其次是切削速度，而背吃刀量對加工表面粗糙度的影響相對較小。

(2)YG8硬質(zhì)合金刀具切削鋁合金后，刀具前刀面和切削刃上都存在較多的切屑的粘結(jié)物，但未見到刀具前刀面的大幅磨損，同時也未見到粘結(jié)物脫落造成的切削刃破損和月牙洼磨損。

(3)YG8硬質(zhì)合金切削鋁合金時，主后刀面存在較均勻的磨損帶，磨損帶呈深淺不一的犁耕狀痕跡，同時刀尖圓弧部分存在刀具材料的剝落現(xiàn)象。