車削氧化鋯工程陶瓷中刀具幾何參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響

左宇辰, 馬廉潔,*, 付海玲, 周云光, 譚雁清

(1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 沈陽 110819； 2.東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院， 秦皇島 066004)

氧化鋯工程陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及良好的生物相容性，已廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、制造業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。通常情況下，燒結(jié)后的工程陶瓷需要經(jīng)過機(jī)械加工才能滿足精密零件的尺寸精度[3]。然而，氧化鋯陶瓷作為典型的高硬脆材料，存在加工效率低、刀具快速磨損、加工質(zhì)量不理想等突出問題[4]。因此，研究切削中刀具磨損形式，確定刀具幾何參數(shù)對(duì)磨損的影響，對(duì)控制加工表面質(zhì)量、提高加工效率、合理優(yōu)化刀具幾何參數(shù)以及提高刀具利用率等具有重要意義[5-8]。

Silva等[9]研究了航空材料車削時(shí)，刀具主要磨損形式為黏著磨損，并發(fā)現(xiàn)冷卻液壓力的增加可延長(zhǎng)刀具的使用壽命；李亮等[10]研究了氟金云母陶瓷車削時(shí)，切削用量對(duì)刀具磨損率的影響，并提出了較合適的加工參數(shù)；岳彩旭等[11]通過建立鎳基高溫合金切削加工仿真模型，研究了后刀面磨損量對(duì)切削力及切削溫度的影響規(guī)律。

目前，關(guān)于刀具磨損的研究主要集中在磨損形式、切削用量以及加工工藝等方面，而有關(guān)刀具幾何參數(shù)對(duì)刀具磨損影響的研究較少。為此，分析YG型硬質(zhì)合金刀具車削氧化鋯陶瓷時(shí)刀具的主要磨損形式，研究刀具的前角、后角和刀尖圓弧半徑對(duì)刀具磨損量的影響規(guī)律，對(duì)車削硬脆材料時(shí)選擇合適的刀具幾何參數(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法

工件直徑為22 mm的氧化鋯棒料，采用DMWG320T6型線切割機(jī)床將YG6硬質(zhì)合金刀具加工出不同的幾何參數(shù)。在CAK5085D型數(shù)控車床上進(jìn)行干式車削實(shí)驗(yàn)，刀具幾何參數(shù)的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示，相同的實(shí)驗(yàn)條件重復(fù)2次。工件轉(zhuǎn)速為800 r/min，進(jìn)給速度為0.06 mm/r，切削深度為0.03 mm，切削長(zhǎng)度為20 mm。刀具經(jīng)超聲波清洗器清洗后，用OLS4100型3D激光共聚焦顯微測(cè)試系統(tǒng)觀察刀具的磨損形貌并測(cè)量其體積磨損量Vtip，如圖1所示。

表1 車削氧化鋯陶瓷實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experiment parameters in turning zirconia ceramic

圖1 刀具體積磨損Vtip模型Fig.1 Model of tool volume wear Vtip

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 刀具的磨損形貌

如圖2所示，在氧化鋯陶瓷車削加工中，YG刀具的磨損形式主要是黏著磨損，并伴有部分磨粒磨損。

車削后的刀片表面黏附著許多細(xì)小的白色陶瓷顆粒，經(jīng)過超聲波清洗后，如圖2(a)所示，用三維形貌儀測(cè)量后發(fā)現(xiàn)許多麻點(diǎn)狀的微小凹坑，說明YG刀具車削氧化鋯陶瓷時(shí)黏著效應(yīng)顯著，這是由于刀具與切削層之間存在強(qiáng)烈的擠壓和摩擦，在高溫高壓的作用下，隨著刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀具與工件相接觸的材料發(fā)生形變后遷移造成了黏著磨損。

如圖2(b)所示，后刀面磨損面邊緣區(qū)域用三維形貌儀測(cè)量后發(fā)現(xiàn)一條條互相平行的犁溝，這是由于陶瓷表面的高硬度晶粒對(duì)刀具材料的反切削作用產(chǎn)生的磨粒磨損。

圖2 刀具磨損形貌圖Fig.2 Tool wear morphology

2.2 前角對(duì)刀具體積磨損量的影響

圖3所示為刀具體積磨損量與前角的關(guān)系曲線。刀具前角在-24°～-9°區(qū)域內(nèi)，刀具體積磨損量從2.81×108μm3緩慢減小到2.1×108μm3；當(dāng)前角在-9°～1°區(qū)域內(nèi)，刀具體積磨損量快速增加到4.31×108μm3；當(dāng)前角在1°～11°區(qū)域內(nèi)，刀具體積磨損量急劇增加到9.8×108μm3。

圖4為前角分別為-9°、1°、11°時(shí)的刀具磨損形貌圖。當(dāng)?shù)毒咔敖菫?9°時(shí)，刀具的后刀面只發(fā)生了輕微的磨損，切削刃未受到較大的影響，依然可以進(jìn)行有效的切削加工。當(dāng)?shù)毒咔敖菫?°時(shí)，刀具的后刀面磨損加劇，磨損寬度L和磨損深度h相較于前角為-9°時(shí)，均有較大的增幅，其切削刃出現(xiàn)了微崩的現(xiàn)象，切削過程中刀具偶爾出現(xiàn)了顫振，此時(shí)的刀具屬于中度磨損。當(dāng)?shù)毒咔敖菫?1°時(shí)，刀具的后刀面磨損劇烈，雖然磨損寬度L相較于前角為-9°時(shí)變化不是很大，但是磨損深度h有較大增幅，刀具的切削刃發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，已經(jīng)無法繼續(xù)切削加工，切削過程中刀具發(fā)生持續(xù)的顫振，刀尖部分變紅并伴隨著火花，此時(shí)刀具屬于失效狀態(tài)。

圖4 不同前角的刀具磨損形貌Fig.4 Tool wear morphology with different rake angles

刀具在前角較小的情況下車削時(shí)，此時(shí)刀具的抗剪切強(qiáng)度比較高，抵抗外力的沖擊能力高，且刀尖體積大，切削熱更易散走，故在前角相對(duì)較小的情況下車削，刀具的體積磨損量較小。

隨著前角的增大，刀尖體積減小，熱量散發(fā)愈加困難，由于氧化鋯陶瓷的導(dǎo)熱率較低，僅為45號(hào)鋼的1/18，切削熱集中于刀尖區(qū)域，局部高溫導(dǎo)致刀尖材料塑化，刀具的抗剪切強(qiáng)度不斷下降，當(dāng)切削力的沖擊載荷強(qiáng)度達(dá)到刀具晶界斷裂強(qiáng)度時(shí)，切削刃處將產(chǎn)生晶界裂紋，由于陶瓷屬于脆性材料，材料的去除方式導(dǎo)致車削方式為斷續(xù)加工，刀具與切削層發(fā)生接觸和分離兩種狀態(tài)的交替進(jìn)行，在這種持續(xù)的高頻率沖擊載荷下，加速了裂紋的不斷擴(kuò)展，造成切削刃發(fā)生崩刃破損，破損后的切削刃繼續(xù)車削，導(dǎo)致磨損進(jìn)一步加劇直至刀具失效。

2.3 后角對(duì)刀具體積磨損量的影響

圖5為刀具體積磨損量與后角的關(guān)系曲線。刀具后角在7°～22°區(qū)域內(nèi)，刀具體積磨損量從6.84×108μm3快速減小至1.02×108μm3；當(dāng)后角繼續(xù)增大至28°，刀具體積磨損量開始緩慢增加到1.93×108μm3。

圖5 刀具體積磨損量與后角的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve back angle between tool volume wear

圖6為后角分別為7°、22°、28°時(shí)的刀具磨損形貌。當(dāng)后角為7°時(shí)，其后刀面的磨損程度較后角22°和28°時(shí)更加顯著，并且刀尖部分發(fā)生了崩刃，切削時(shí)伴隨著火花。

圖6 不同后角的刀具磨損形貌Fig.6 Tool wear morphology with different back angles

當(dāng)?shù)毒叩暮蠼沁^小時(shí)，刀具的后刀面與陶瓷工件已加工表面的接觸面積較大，摩擦劇烈，產(chǎn)生大量的切削熱，大量的熱應(yīng)力會(huì)在刀具切出工件時(shí)被釋放，由于陶瓷車削的特點(diǎn)是切削和空切交替進(jìn)行，導(dǎo)致拉應(yīng)力與壓應(yīng)力呈周期性變化，造成熱應(yīng)力疲勞，容易使刀具表面產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而加劇了刀具磨損。

隨著后角的增大，刀具后刀面的接觸摩擦面積減小，產(chǎn)生的切削熱也減小，因此磨損的程度也隨之降低，當(dāng)后角為22°時(shí)，刀具的體積磨損量達(dá)到最小值。但是，當(dāng)后角繼續(xù)增大時(shí)，刀具的體磨損量開始緩慢增加，這是因?yàn)殡S著刀具后角的增加，切削刃的強(qiáng)度隨之降低，易發(fā)生崩刃，并且刀尖的散熱體積也會(huì)減小，切削熱難以散去，故加劇了刀具的磨損。

2.4 刀尖圓弧半徑對(duì)刀具體積磨損量的影響

圖7為刀具體積磨損量與刀尖圓弧半徑的關(guān)系曲線。相對(duì)于刀具前角和后角，刀尖圓弧半徑對(duì)刀具體積磨損量的影響較小。曲線整體上呈下降趨勢(shì)。當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑小于0.8 mm時(shí)，隨著半徑的增大，刀具體積磨損量從1.48×108μm3逐漸減小至0.9×108μm3；當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑大于0.8 mm時(shí)，刀具體積磨損量隨著半徑的增大而緩慢減?。话霃綖?.2 mm時(shí)，減小至0.82×108μm3。

圖7 刀具體磨損量與刀尖圓弧半徑的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve corner radius between tool volume wear

圖8為刀尖圓弧半徑分別為0.5 mm、0.8 mm和1.2 mm時(shí)的刀具磨損形貌圖。從圖8可以看出，3組刀具的后刀面磨損程度相當(dāng)，而1.2 mm的刀具切削時(shí)較為平穩(wěn)，前刀面磨損相對(duì)較輕。

圖8 不同刀尖圓弧半徑的刀具磨損形貌Fig.8 Tool wear morphology with different corner radius

刀尖圓弧半徑過小時(shí)，刀尖的強(qiáng)度會(huì)變?nèi)?，在切削硬脆性的陶瓷材料時(shí)，刀具與工件切削產(chǎn)生的崩碎狀切屑堆積在前刀面處，隨著切削的進(jìn)行，前刀面上滯留的切屑與切削層相互擠壓并產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，由于刀尖強(qiáng)度較低，前刀面發(fā)生脆性剝落，刀具磨損量相對(duì)較大。

當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑變大時(shí)，刀尖圓弧部分與工件材料的作用面積增大，刀尖的受力更加均衡，并且此時(shí)刀尖的強(qiáng)度也較高，因此刀具的耐磨性更高。

3 結(jié)論

(1)YG6刀具外圓車削氧化鋯陶瓷時(shí)，刀具的磨損形式主要是黏著磨損，并伴有部分磨粒磨損。

(2)以刀具的體積磨損量作為刀具在不同刀具幾何參數(shù)下磨損程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明刀尖圓弧半徑相對(duì)于前角和后角對(duì)刀具體積磨損的影響較小。刀具體積磨損量隨著前角的變大，先緩慢減小而后急劇增加；隨著后角的變大，先急劇減小后緩慢增加；隨著半徑的變大，逐漸減小。隨著刀尖圓弧半徑的變大，逐漸減小。