干式銑削300M超高強(qiáng)度鋼刀具磨損試驗(yàn)研究

張慧萍　劉國(guó)梁　薛富國(guó)　張校雷

摘 要：針對(duì)300M超高強(qiáng)度鋼在加工過(guò)程中因刀具磨損造成的刀具快速失效問(wèn)題，采用硬質(zhì)合金涂層刀具進(jìn)行了300M鋼干式銑削試驗(yàn)研究;通過(guò)極差分析法研究了銑削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律;以銑削速度為單一變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，對(duì)刀具的磨損形式進(jìn)行了分析，最后通過(guò)能譜分析揭示了刀具的磨損機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：銑削速度對(duì)刀具磨損的影響最大，進(jìn)給速度次之，銑削寬度最小。銑削速度越高，刀具磨損、崩刃現(xiàn)象越嚴(yán)重。刀具在磨損過(guò)程中依次經(jīng)過(guò)涂層脫落，硬質(zhì)合金基體材料磨損和崩刃3個(gè)階段。刀具前刀面的月牙洼磨損隨銑削速度和銑削長(zhǎng)度的增加而增大。刀具的磨損機(jī)理為磨粒磨損、粘結(jié)磨損和氧化磨損。

關(guān)鍵詞：300M超高強(qiáng)度鋼;干式銑削;刀具磨損;銑削速度

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.009

中圖分類號(hào)： TG506.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）03-0054-05

Abstract：Aiming at the problem of the rapid failure of 300M ultrahighstrength steel due to tool wear in the process of machining， the test of 300M steel in dry milling with cemented carbide coated tools was carried out. The influence law of milling parameters on tool wear was studied by range analysis. The single factor experiment was carried out with the milling speed as the only variable， and the wear forms of cutting tools were analyzed and the wear mechanism of the tool was revealed by energy spectrum analysis. The results show that the effect of milling speed on tools wear is maximal， and the effect of feed speed is smaller than milling speed and the effect of milling width is minimal. The higher the milling speed， the more the cutting tool wear and collapse. During the wear process， the tool passes through three stages， namely the coating shedding， the carbide matrix material wear and cutting edge collapse. The crater wear of tool rake face increases with the increase of milling speed and milling length. The mechanism of tool wear is abrasive wear， adhesive wear and oxidative wear.

Keywords：300M ultrahighstrength steel; dry milling; tool wear; milling speed

0 引 言

300M超高強(qiáng)度鋼因其獨(dú)有的優(yōu)良特性和綜合性能，被用于飛機(jī)起落架、活塞桿等超高強(qiáng)度場(chǎng)合[1-2]。但300M 鋼屬于低合金超高強(qiáng)度鋼，是一種難加工材料，其切削加工性能極差[3]。傳統(tǒng)加工超高強(qiáng)度鋼時(shí)，通常采用磨削和切削相結(jié)合的方式，這樣就使加工過(guò)程變得復(fù)雜，裝夾耗時(shí)長(zhǎng)，加工效率變低[4]。從其化學(xué)成分組成上來(lái)看由于含有一些元素尤其是高含量的元素Ni，雖然提高了材料的硬度和強(qiáng)度但同時(shí)也降低了材料的導(dǎo)熱性能[5]，因此切削該材料時(shí)容易產(chǎn)生加工硬化。通常在銑削加工時(shí)，銑削力和銑削溫度較高，導(dǎo)致刀具磨損破損現(xiàn)象嚴(yán)重[6]，甚至在銑削加工初期就出現(xiàn)刀具磨損和破損的現(xiàn)象，進(jìn)而失去銑削能力。所以研究300M鋼的刀具磨損，解決加工制造時(shí)遇到的難題具有重大的意義[7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)300M超高強(qiáng)度鋼及刀具磨損方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。國(guó)內(nèi)方面，山東大學(xué)的劉維民等[8]對(duì)300M超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了干切削試驗(yàn)，研究表明陶瓷刀具的磨損機(jī)理主要為粘結(jié)磨損、磨粒磨損和氧化磨損。山東理工大學(xué)的房友飛選用不同涂層的刀具進(jìn)行了300M鋼的高速切削試驗(yàn)，利用工具顯微鏡和電子掃描顯微鏡對(duì)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行了分析，揭示了刀具磨損機(jī)理[9]。北京航空航天大學(xué)的張保國(guó)通過(guò)加工300M鋼，分析刀具磨損原因并總結(jié)出了合理的刀具磨損測(cè)量方法[10]。西安科技大學(xué)的王東通過(guò)陶瓷刀具高速車削300M的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切削300M鋼時(shí)的切削速度不宜超過(guò)400m/min，根據(jù)刀具的磨損狀態(tài)分析得出磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和粘結(jié)磨損[11]。浙江海洋船舶學(xué)院的袁躍峰對(duì)300M鋼進(jìn)行了刀具磨損試驗(yàn)研究，研究表明硬質(zhì)合金刀具加工300M鋼時(shí)不宜采用過(guò)大的切削速度和切削深度[12]。

國(guó)外方面，美國(guó)猶他大學(xué)的P I Varela研究了刀具幾何參數(shù)和切削條件對(duì)硬車削（起落架的最后一個(gè)制造工藝）300M鋼的影響，并總結(jié)了規(guī)律[13]。加拿大的Perez R.G.V學(xué)者采用有限元分析和切削試驗(yàn)相結(jié)合的手段研究300M鋼，對(duì)刀具磨損進(jìn)行了預(yù)測(cè)[14]。英國(guó)肯塔基大學(xué)的P. W. Marksberry等采用金屬加工液進(jìn)行了切削試驗(yàn)，通過(guò)擴(kuò)展的泰勒公式建立了刀具磨損模型，發(fā)現(xiàn)模型得到的磨損量與實(shí)際值的誤差在10%以內(nèi)[15]。澳大利亞科廷大學(xué)的A. Pramanik等人發(fā)現(xiàn)鈦合金在加工過(guò)程中刀具磨損主要經(jīng)過(guò)磨損，擴(kuò)散-溶解，熱裂紋和塑性變形幾個(gè)過(guò)程[16]。西班牙蒙特拉貢大學(xué)的P. J. Arrazola等人對(duì)切削鈦合金Ti6Al4V和 Ti5553時(shí)的刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了深入研究[17]。

銑削加工時(shí)，刀具材料的選取對(duì)刀具的使用壽命、生產(chǎn)效率和制造成本有著明顯的影響，其原因在于生產(chǎn)制造中刀具通常會(huì)承受摩擦、高溫、高壓、振動(dòng)和沖擊等作用，所以要著重考慮刀具是否具有足夠的韌性和強(qiáng)度[18-19]。

現(xiàn)階段在切削300M鋼的刀具磨損方向上研究較少，所以本文從300M鋼的材料特性出發(fā)，通過(guò)300M鋼的干式銑削試驗(yàn)，研究了銑削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，分析了刀具的磨損機(jī)理，在實(shí)際加工300M鋼時(shí)切削參數(shù)的選擇方面具有一些參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案

1.1 工件材料及刀具

1）工件材料：加工材料為300M鋼，其化學(xué)成分如表1所示[20]。

2）刀具材料及參數(shù)：試驗(yàn)刀具為山特公司生產(chǎn)的R290可轉(zhuǎn)位銑刀盤，型號(hào)為R290080Q2712H，刀盤直徑為80mm，最大切深是10.7mm，如圖1（a）所示。刀片型號(hào)為SANDVIK R29012T308MPL，屬于硬質(zhì)合金涂層刀片，涂層材料為TiCN+Al2O3+TiN復(fù)合涂層，如圖1（b）所示，這種刀片的硬度很高，抗磨粒磨損能力也很強(qiáng)。刀片的參數(shù)如下：刀片高度為13.29mm，刀片厚度為3.97mm，后角為18°，刀尖圓弧半徑為0.8mm。

1.2 銑削試驗(yàn)方案

1.2.1 正交試驗(yàn)方案

本文以銑削長(zhǎng)度170mm為單位進(jìn)行刀片磨損試驗(yàn)，銑削方式采用單齒順銑，每進(jìn)行一次銑削試驗(yàn)就取下并保留刀片，在超景深顯微鏡下觀察并測(cè)量刀具后刀面磨損量VB值，為了減少試驗(yàn)組數(shù)同時(shí)保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，選擇正交試驗(yàn)法完成方案設(shè)計(jì)，以銑削速度vc、銑削深度ap、進(jìn)給速度vf及銑削寬度ae為銑削參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。正交試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

1.2.2 單因素試驗(yàn)方案

在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定銑削參數(shù)：銑削深度ap=0.4mm，每齒進(jìn)給量fz=0.15mm/z，銑削寬度ae=24mm，以銑削速度為單一變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每次試驗(yàn)銑削一定長(zhǎng)度后取下刀片，通過(guò)超景深顯微鏡拍照并測(cè)量后刀面磨損量VB值，利用掃描電鏡（SEM）對(duì)已磨損刀片的元素含量進(jìn)行分析，揭示刀具磨損機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 銑削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響

通過(guò)干式銑削300M鋼得到的后刀面磨損量VB值及各參數(shù)的極差值如表3所示。

根據(jù)每個(gè)因素4水平的綜合平均值求出各自的極差值R，由表可知Rvc>Rvf>Rap>Rae，因此可以確定銑削速度是刀具磨損最主要的影響因素，進(jìn)給速度次之，銑削寬度最小，所以在加工時(shí)應(yīng)著重考慮銑削速度的取值。

2.2 銑削速度對(duì)刀具磨損的影響

以銑削速度vc為單一變量的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，銑削長(zhǎng)度越長(zhǎng)，刀具磨損越嚴(yán)重。當(dāng)vc介于75m/min-150m/min時(shí)，刀具磨損速度較為緩慢，初期磨損差別不明顯，刀具壽命也較長(zhǎng)。

從圖2的磨損曲線可以看出當(dāng)銑削速度為190m/min時(shí)，刀具的正常磨損階段變短，在銑削長(zhǎng)度L=1380mm后進(jìn)入劇烈磨損階段，最終在L=2040mm時(shí)發(fā)生崩刃，刀片后刀面磨損狀態(tài)如圖3（a）所示。

隨著銑削速度的升高，刀具的初期和正常磨損階段急劇縮短，刀具磨損加快，刀具在銑削速度為240m/min，銑削長(zhǎng)度L=1360mm時(shí)發(fā)生崩刃，且后刀面磨損嚴(yán)重，磨損狀態(tài)如圖3（b）所示。

當(dāng)銑削速度高于300M/min時(shí)刀具直接進(jìn)入劇烈磨損階段，如圖3（c）所示，在銑削長(zhǎng)度僅僅為340mm時(shí)后刀面磨損值就超過(guò)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)生崩刃，其原因?yàn)殂娤魉俣冗^(guò)高，刀具承受的載荷過(guò)大且刀具、工件及切屑頻繁接觸摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱聚集在刀刃處無(wú)法及時(shí)傳遞，從而降低了刀具的疲勞強(qiáng)度。

2.3 刀具前刀面磨損分析

當(dāng)速度vc=75m/min 、銑削長(zhǎng)度L=170mm時(shí)，刀具前刀面涂層剝落，并出現(xiàn)程度較輕的月牙洼磨損，如圖4（a）所示。銑削加工時(shí)刀具的切削刃在工件表面上不斷的切入切出，此時(shí)刀具就會(huì)承受周期極短的冷熱交替的過(guò)程，刀具材料在交變熱應(yīng)力和接觸應(yīng)力的共同作用下，在其內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋源，摩擦一定時(shí)間后裂紋源向外快速延伸，最終導(dǎo)致涂層材料的剝落。此后刀具失去了涂層的保護(hù)，刀具基體和切屑直接接觸，溫度急劇升高，化學(xué)活性提高，硬質(zhì)合金材料中的粘結(jié)相Co元素迅速離散，刀體中的WC顆粒就會(huì)在摩擦作用下不斷流出刀體，造成刀具基體磨損，從而降低了刀具的強(qiáng)度。根據(jù)圖4（b）可知，相同速度下，月牙洼寬度和深度隨銑削長(zhǎng)度的增加而逐漸增大。當(dāng)銑削速度過(guò)大，銑削長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，硬質(zhì)合金刀具的前刀面連接切削刃的區(qū)域同切削刃就會(huì)出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，如圖4（c）所示，這是由于銑削加工屬于斷續(xù)加工，而且300M鋼硬度較高，導(dǎo)熱性能差，所以會(huì)出現(xiàn)崩刃的現(xiàn)象。

2.4 刀具后刀面磨損分析

高速銑削300M鋼時(shí)，刀具的后刀面磨損區(qū)域主要集中在切削刃附近，造成磨損的主要原因是由于后刀面與被加工工件的已加工表面之間的摩擦，隨著銑削時(shí)間的增加，刀具磨損也逐漸增大，所以通常將后刀面磨損值作為衡量刀具壽命的參考。圖5為刀具在銑削長(zhǎng)度為170mm后刀面磨損形貌，可以看出涂層均已脫落，根據(jù)測(cè)得的磨損平均值可知：隨著銑削速度升高，后刀面磨損值逐漸增加，當(dāng)銑削速度為300m/min時(shí)，刀具材料發(fā)生破損，其原因?yàn)?00M鋼經(jīng)淬火后，馬氏體硬度高、剪應(yīng)力大，高速銑削時(shí)刀尖應(yīng)力集中，切屑與前刀面接觸摩擦，在刀尖處聚集大量的切削熱且無(wú)法向外擴(kuò)散，當(dāng)切削力和切削熱超過(guò)刀體的承受范圍時(shí)，就容易造成刀具失效。

在圖5中可以看出，磨損表面呈現(xiàn)密集且均勻的條紋狀，這是因?yàn)榈毒吆凸ぜ粩嗟哪Σ潦沟毒弑砻鏈囟壬撸毒哂捕冉档?，工件材料中存在比刀具基體硬得多的硬質(zhì)點(diǎn)， 這些硬質(zhì)點(diǎn)在刀具表面上連續(xù)的摩擦并劃傷刀具表面，最終造成磨粒磨損。

采用掃描電子顯微鏡對(duì)刀具后刀面磨損形貌進(jìn)行觀察，并在A點(diǎn)處進(jìn)行能譜分析（EDS），得到的元素分布狀態(tài)如圖6所示。

在EDS的元素分布可以看見(jiàn)刀具表面存在少量的Cr、Ni、Mn等元素，說(shuō)明刀具發(fā)生了粘結(jié)現(xiàn)象，粘結(jié)物會(huì)隨著銑削時(shí)間的增加而逐漸增大，最終粘結(jié)層在機(jī)械沖擊作用下從刀具表面連同刀具材料一起脫落下來(lái)，造成刀具的粘結(jié)磨損。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了大量的O元素，而刀具基體材料中不存在O元素，說(shuō)明空氣中的氧與刀具材料中的Co、WC產(chǎn)生了氧化反應(yīng)，形成了強(qiáng)度和硬度較低的氧化膜，降低了刀具材料的性能。氧化反應(yīng)一般在 700℃～800℃時(shí)極易發(fā)生，其磨損速度主要取決于氧化膜的粘附強(qiáng)度，強(qiáng)度越低磨損越快，這類磨損易發(fā)生于邊界上。

3 結(jié) 論

通過(guò)硬質(zhì)合金涂層刀具對(duì)300M干式銑削試驗(yàn)的研究可以得出以下結(jié)論：

1）銑削速度是影響刀具磨損最主要的因素，進(jìn)給速度次之，銑削寬度最小。

2）銑削速度越高，銑削長(zhǎng)度越長(zhǎng)，刀具磨損越嚴(yán)重，尤其當(dāng)銑削速度高于300m/min時(shí)刀具直接發(fā)生劇烈磨損，發(fā)生大面積崩刃現(xiàn)象。

3）刀具的磨損過(guò)程分為3個(gè)階段：涂層脫落，基體磨損和切削刃崩刃。

4）刀具前刀面表現(xiàn)為月牙洼磨損，月牙洼區(qū)域隨銑削速度和銑削長(zhǎng)度的增加而逐漸增大。

5）刀具的磨損機(jī)理為磨粒磨損、粘結(jié)磨損和氧化磨損。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）