涂層硬質(zhì)合金刀具車(chē)削50鋼的切削力與刀具磨損機(jī)理研究

葛英尚，朱康逸，宋國(guó)豪，張建華

山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心

1 引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)機(jī)械加工的要求趨于高效率、高精度、高柔性和環(huán)境意識(shí)強(qiáng)化[1]。硬質(zhì)合金是由高硬、難熔的金屬碳化物和金屬黏結(jié)劑粉末在高溫下燒結(jié)制成，具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的耐磨性和耐熱性等優(yōu)點(diǎn)[2]，被廣泛用于不同種類(lèi)刀具的制作，以切削普通金屬和非金屬材料、高溫合金等難加工材料。涂層硬質(zhì)合金刀具的硬度和耐熱性比未涂層刀具更高，刀具耐用度可提高數(shù)倍，還可以改善工件的加工質(zhì)量。

50鋼是一種中碳高強(qiáng)度碳素結(jié)構(gòu)鋼，通常在正火、淬火+回火處理后使用，其切削加工性一般。50鋼在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，主要用于制造鍛造齒輪、軸摩擦盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)主軸及軋輥等對(duì)耐磨性要求較高、所受沖擊載荷不大的機(jī)械零件[3]。

高速切削加工高強(qiáng)度鋼常用的刀具包括硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具和涂層刀具。孫玉晶[4]研究了熱—力耦合作用下硬質(zhì)合金刀具切削加工Ti6A14V鈦合金的磨損特征與規(guī)律，指出切削加工過(guò)程就是刀具磨損與切削力相互作用的過(guò)程。程耀楠等[5]對(duì)比研究了四種不同刀具銑削加工508Ⅲ鋼的磨損性能，優(yōu)選出適合加工該種材料的刀具。邢佑強(qiáng)等[6]制備了兩種表面織構(gòu)的陶瓷刀具，并與普通陶瓷刀具進(jìn)行干切削45淬火鋼的對(duì)比試驗(yàn)，指出了兩種表面織構(gòu)陶瓷刀具在改善切削性能方面的優(yōu)勢(shì)。

本文采用多層涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)高強(qiáng)度50正火鋼進(jìn)行車(chē)削加工試驗(yàn)，研究切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律以及高速干車(chē)削條件下刀具的壽命和磨損機(jī)理，為實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中切削加工高強(qiáng)度50正火鋼的切削參數(shù)選擇奠定基礎(chǔ)。

2 切削力試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及條件

試驗(yàn)采用德州普利森生產(chǎn)的CKD6150H數(shù)控車(chē)床。試驗(yàn)裝置如圖1所示，切削力測(cè)量系統(tǒng)由Kistler 9257B三向壓電式測(cè)力儀、5080A電荷放大器、5697A數(shù)據(jù)采集卡及筆記本電腦組成。使用基恩士KEYENCE VHX-600E大景深三維顯微系統(tǒng)觀(guān)測(cè)刀片前、后刀面的磨損狀態(tài)，并測(cè)量后刀面磨損量VB。工件材料為50正火鋼(160～197HB)，切削直徑為60～150mm。涂層硬質(zhì)合金刀片采用株洲鉆石CNMG120408-PM可轉(zhuǎn)位刀片，牌號(hào)為YBC251，刀尖圓弧半徑0.8mm。刀桿采用Sandvik的PCLNR2525M12機(jī)夾式刀桿，裝配后形成-6°刀具前角和-6°刃傾角。

圖1 切削力試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)方案

采用單因素試驗(yàn)法研究干切削過(guò)程中的切削速度v、進(jìn)給量f和切削深度ap對(duì)三向切削力的影響，記錄各組試驗(yàn)中刀具車(chē)削500m達(dá)到正常磨損階段時(shí)的三向切削力。試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為進(jìn)給抗力、切深抗力、主切削力。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

切削力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置的采集頻率為20kHz，切削力為穩(wěn)定切削狀態(tài)下5s內(nèi)的平均值。圖2～圖4分別是切削速度、進(jìn)給量、切削深度對(duì)三向切削力的影響曲線(xiàn)。

由圖2可知，隨著切削速度的提高，三向切削力先減小后略微增大。當(dāng)切削速度v<250m/min時(shí)，隨著切削速度的增大，剪切角變大，變形系數(shù)隨之減小，切屑流出時(shí)阻力減小，切削力減小。此外，隨著切削速度的提高，加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱來(lái)不及散發(fā)，切削區(qū)域積聚大量切削熱，切削溫度隨之升高，使切削區(qū)域的工件軟化，強(qiáng)度和硬度降低，切削力也隨之降低。隨著切削速度的進(jìn)一步提高，切削溫度迅速升高，刀具前、后刀面磨損加劇，此時(shí)切削熱帶來(lái)的軟化作用減小，刀具前、后刀面的磨損對(duì)切削力的影響程度增大，切削力略微升高。

表1 試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

圖2 切削速度對(duì)三向切削力的影響

圖3 進(jìn)給量對(duì)三向切削力的影響

由圖3可知，隨著進(jìn)給量的增大，三向切削力先減小后增大，進(jìn)給量繼續(xù)增大時(shí)主切削力有一定波動(dòng)。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量從0.16mm/r增至0.18mm/r，切削面積略微增大，刀具與切屑的摩擦阻力和工件變形抗力略微增大，但切削厚度也在變大，變形系數(shù)和摩擦系數(shù)隨之減小，后者對(duì)切削力的影響占主要地位，所以切削力減??；當(dāng)進(jìn)給量繼續(xù)增大時(shí)，切削面積增加，切削變形抗力增大，其對(duì)切削力的影響占主要作用，切削力隨之增大。

圖4 切削深度對(duì)三向切削力的影響

由圖4可知，三向切削力隨著切削深度的增大而增大。不同于切削力隨著進(jìn)給量增加時(shí)的較小幅度增加，切削深度增加一倍時(shí)，切削力幾乎成倍增大。這是由于切削深度增大時(shí)，切削厚度不變，切削寬度和切削面積成比例增大，刀具負(fù)荷增大，而切屑變形系數(shù)不變，因此三向切削力與切削深度成正比[7]。

3 刀具磨損試驗(yàn)及磨損機(jī)理分析

為了研究高速干車(chē)削50正火鋼時(shí)的刀具磨損機(jī)理，選定切削參數(shù)為v=300m/min，f=0.24mm/r，ap=1.4mm并進(jìn)行干車(chē)削試驗(yàn)。根據(jù)ISO3685標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p長(zhǎng)度的平均測(cè)量值大于0.3mm或發(fā)生異常磨損、破裂時(shí)，刀具失效[8]。將新刀具切削加工至符合失效標(biāo)準(zhǔn)，每次切削加工45s并測(cè)量和記錄后刀面的磨損量，圖5為刀具后刀面磨損量VB與切削時(shí)間t的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖5 刀具后刀面磨損量VB與切削時(shí)間t的關(guān)系曲線(xiàn)

基于切削力試驗(yàn)設(shè)備及工藝條件，使用庫(kù)賽姆(COXEM)EM-30 Plus臺(tái)式掃描電鏡觀(guān)測(cè)刀具前、后刀面的磨損形貌，使用X射線(xiàn)能譜儀對(duì)刀具磨損表面進(jìn)行元素分布以及成分分析。試驗(yàn)用涂層硬質(zhì)合金刀片具有特殊強(qiáng)度和韌性刀刃的基體與MT-TiCN/厚Al2O3/TiN涂層，是加工鋼材的通用牌號(hào)，適用于鋼、鑄鐵和不銹鋼的半精加工、精加工等。YBC251刀具涂層是傳統(tǒng)的多層涂層結(jié)構(gòu)，涂層成分由表及里分別為T(mén)iN、Al2O3和TiCN，基體含有W、C、Co、Ta和Nb等元素[9]。TiN具有耐熱性和低摩擦系數(shù)等特性，TiCN具有耐磨性和較好的熱穩(wěn)定性，Al2O3具有良好的高溫/熱硬度和耐月牙洼磨損性能[10]。

圖6為刀具在初期磨損階段(VB=0.112mm)刀具前刀面的磨損形貌及元素分析結(jié)果。由元素分析結(jié)果可知，黏結(jié)物中含有大量的C元素和Fe元素，表明工件材料黏結(jié)在刀具表面，主要是因?yàn)榍邢鬟^(guò)程需要克服刀具與切屑的摩擦阻力和工件變形抗力，切削溫度高，切屑在前刀面不斷黏結(jié)和堆積。工件材料中的C和Fe等元素在刀具表面附著后，增大了工件材料與刀具材料元素的親和力[11]，加劇切屑的黏結(jié)，容易發(fā)生冷焊現(xiàn)象從而形成積屑瘤。由于切屑在堆積過(guò)程中會(huì)四處流動(dòng)，黏結(jié)物附近位置5處的元素分析結(jié)果顯示此處有大量Fe元素。位置4處出現(xiàn)大量Al元素，表明此處的TiN涂層被磨穿，露出Al2O3涂層。

圖6 初期磨損階段前刀面的磨損形貌及元素分析結(jié)果

刀具在初期磨損階段，后刀面的磨損形貌及A區(qū)域的電鏡和元素分析結(jié)果如圖7所示。可以看出，隨著工件中的硬質(zhì)點(diǎn)顆粒與后刀面反復(fù)摩擦，A區(qū)域電鏡照片中出現(xiàn)微弱劃痕，即存在硬質(zhì)點(diǎn)磨損，劃痕下方出現(xiàn)明顯的磨損邊界。在黏結(jié)磨損的作用下，主切削刃附近區(qū)域存在大量黏結(jié)物，呈典型的分層黏結(jié)形態(tài)。分析結(jié)果表明，Ti和N元素的比例接近1：1，說(shuō)明該點(diǎn)附近的TiN涂層未被磨穿；該點(diǎn)存在少量的Al元素，可能是在黏結(jié)磨損的作用下，刀具表面其他區(qū)域的TiN涂層被磨穿后露出Al2O3涂層，黏結(jié)點(diǎn)由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)將涂層上的Al元素帶到此處。此外，此處還存在大量的C元素和O元素，表明邊界下方區(qū)域產(chǎn)生了擴(kuò)散磨損和氧化磨損。

圖7 初期磨損階段后刀面的磨損形貌及A區(qū)域的電鏡和元素分析結(jié)果

圖8為正常磨損階段(VB=0.240mm)的刀具前刀面月牙洼磨損形貌及B區(qū)域的電鏡和元素分析結(jié)果。早期的月牙洼磨損邊界不明顯，將月牙洼處B區(qū)域放大進(jìn)一步觀(guān)察分析，可以看出，B區(qū)域磨損形貌出現(xiàn)明顯的分界現(xiàn)象，邊線(xiàn)下方有大量的黏結(jié)層，切屑由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)不斷劃擦前刀面，黏結(jié)層附近出現(xiàn)很多劃痕。結(jié)合位置11的元素分析結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)Al元素而存在大量的Ti和N元素，表明刀具表面的TiN涂層未被磨穿，所以O(shè)元素來(lái)自空氣而不是Al2O3涂層，由此推斷此處還發(fā)生了氧化磨損。

圖8 前刀面月牙洼磨損形貌及B區(qū)域的電鏡和元素分析結(jié)果

由于擴(kuò)散磨損的作用，刀具表面與已加工工件的表面接觸，在高溫下，兩摩擦面的化學(xué)元素獲得足夠的能量，相互擴(kuò)散，改變了接觸面兩側(cè)化學(xué)成分[2]，故元素分析結(jié)果出現(xiàn)Fe元素和C元素。位置10的元素分析結(jié)果出現(xiàn)大量的Al和O元素，表明TiN涂層已被磨穿，露出Al2O3涂層。在黏結(jié)磨損的作用下，黏結(jié)點(diǎn)由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)將少量Ti元素帶到位置10附近區(qū)域。由位置12的元素分析結(jié)果可知，存在大量的Ti元素和N元素，說(shuō)明TiN涂層未被磨穿。在擴(kuò)散磨損的作用下，少量C元素?cái)U(kuò)散到刀具的前刀面表層。上述分析表明，刀具前刀面主要發(fā)生黏結(jié)磨損、硬質(zhì)點(diǎn)磨損和氧化磨損，伴有少量擴(kuò)散磨損。

圖9為正常磨損階段的刀具后刀面磨損形貌及C區(qū)域電鏡形貌，可以明顯看到硬質(zhì)點(diǎn)磨損導(dǎo)致的劃痕和黏結(jié)磨損導(dǎo)致的黏結(jié)層，并且這些切屑呈分層黏結(jié)形態(tài)。主切削刃附近還出現(xiàn)了不同程度的剝落現(xiàn)象，主要是因?yàn)榈毒弑砻娴耐繉硬牧吓c刀具基體材料的黏結(jié)強(qiáng)度有限，當(dāng)黏結(jié)物隨切屑脫落時(shí)，帶走與其黏結(jié)在一起的刀具基體材料。隨著切削過(guò)程的繼續(xù)，在高溫和高壓的共同作用下，脫落區(qū)域向四周擴(kuò)展，加劇刀具磨損。

圖9 正常磨損階段刀具后刀面磨損形貌及C區(qū)域電鏡形貌

刀具在急劇磨損階段(VB=0.311mm)的后刀面磨損形貌及D區(qū)域電鏡照片如圖10所示。后刀面的磨損帶一般不均勻，通常分成C區(qū)、B區(qū)和N區(qū)三部分。N區(qū)代表后刀面上靠近工件外表面的區(qū)域，磨損較為嚴(yán)重[12]。邊界磨損實(shí)際上就是后刀面磨損的邊界部分，即N區(qū)附近區(qū)域，由于邊界部分屬于切削刃參與切削的極限位置，存在較大機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，所以邊界磨損在后刀面磨損帶中最為嚴(yán)重，圖10中的邊界磨損區(qū)域出現(xiàn)了微崩刃。

圖10 急劇磨損階段刀具后刀面磨損形貌及D區(qū)域電鏡形貌

D區(qū)域有大量的切屑黏結(jié)現(xiàn)象，還有幾處片狀剝落，可能是因?yàn)榍行济撀鋾r(shí)部分刀具材料隨之剝落。此外，還發(fā)現(xiàn)了硬質(zhì)點(diǎn)磨損導(dǎo)致的劃痕和部分微裂紋，因?yàn)榈毒咔腥牒颓谐龉ぜr(shí)其表面受到冷熱交替作用，刀具進(jìn)入急劇磨損階段時(shí)，積聚的熱疲勞使刀片產(chǎn)生裂紋。在刀具后刀面上可以明顯看到大量的涂層剝落。除了常規(guī)的黏結(jié)磨損所致，由于微裂紋擴(kuò)展到刀具表面，也使涂層材料更容易剝落。

圖11為刀具破損時(shí)的前刀面形貌及E區(qū)域電鏡和元素分析結(jié)果，可以明顯觀(guān)察到刀具前刀面的月牙洼磨損程度較大，涂層已經(jīng)被磨透，裸露出硬質(zhì)合金基體材料。此外，切削刃附近黏結(jié)大量切屑，出現(xiàn)積屑瘤，這是因?yàn)榍邢鲿r(shí)的高溫和高壓作用使切屑在前刀面產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象[13]。雖然積屑瘤可以保護(hù)切削刃，減小變形和切削力，但機(jī)床的振動(dòng)使積屑瘤處于產(chǎn)生—長(zhǎng)大—脫落的周期性動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，反而加劇了刀具損壞，影響刀具耐用度和工件的尺寸精度，此時(shí)需要調(diào)整切削參數(shù)，例如減小進(jìn)給量、增大刀具前角和采用低速或高速切削，切削速度通過(guò)切削溫度影響積屑瘤[13]，合適的切削速度區(qū)間有待進(jìn)一步研究。元素分析結(jié)果表明，位置1處的C元素和W元素含量很高，結(jié)合刀具基體材料可知，TiN、Al2O3和TiCN涂層均被磨穿，刀具基體材料裸露。

圖11 刀具破損時(shí)的前刀面形貌及E區(qū)域電鏡和元素分析結(jié)果

圖12為刀具破損時(shí)的后刀面形貌及F區(qū)域電鏡和元素分析結(jié)果。可知，刀尖處崩刃較嚴(yán)重，后刀面邊界磨損處也有微崩刃，此外，還存在涂層剝落和垂直于切削刃的熱疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展會(huì)引起刀具碎裂，產(chǎn)生裂紋破損[14]。元素分析結(jié)果顯示，位置1和2處均有大量的C元素和W元素，還有少量的Co元素，說(shuō)明這兩處已沒(méi)有涂層材料，崩刃和裂紋讓刀具基體材料完全裸露出來(lái)。由于存在大量Fe元素和O元素，可以推測(cè)這兩處發(fā)生了擴(kuò)散磨損和氧化磨損，可能的生成物有Fe的二價(jià)和三價(jià)氧化物。位置3處的元素分析結(jié)果結(jié)果表明，存在大量的Al元素和O元素，說(shuō)明該處附近的TiN涂層完全剝落，露出Al2O3涂層。

圖12 刀具破損時(shí)的后刀面形貌及F區(qū)域電鏡和元素分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用多層涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)高強(qiáng)度50正火鋼進(jìn)行車(chē)削加工試驗(yàn)，研究切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律以及高速干車(chē)削條件下的刀具壽命和磨損機(jī)理，得出以下結(jié)論。

(1)切削速度v<250m/min時(shí)，三向切削分力隨著切削速度的增大而減小。三向切削分力隨著切削深度的增大而增大，隨著進(jìn)給量的增大先減小后增大。在生產(chǎn)實(shí)踐中，為了延長(zhǎng)刀具的使用壽命，建議選用切削速度250m/min左右、較小的切削深度和0.18mm/r左右的進(jìn)給量。

(2)刀具的主要磨損形態(tài)有硬質(zhì)點(diǎn)磨損和黏結(jié)磨損，其中硬質(zhì)點(diǎn)磨損貫穿了刀具的磨損全過(guò)程。此外，刀具在不同的磨損階段有不同程度的擴(kuò)散磨損和氧化磨損。

(3)刀具破損時(shí)機(jī)床有明顯振動(dòng)，刀具出現(xiàn)崩刃、涂層剝落、裂紋破損和積屑瘤等現(xiàn)象，影響工件的加工表面質(zhì)量，應(yīng)及時(shí)更換刀具。改變切削速度可以抑制積屑瘤的生成，具體的合適切削速度區(qū)間會(huì)在將來(lái)工作中進(jìn)一步研究。