難加工材料高速端面銑削磨損及切削性能研究

用于國防工業(yè)的許多難加工材料具有低導(dǎo)電性、強(qiáng)加工強(qiáng)度和高微觀組織的硬等性特征。因此，與普通鋼的加工相比，難以加工材料的加工中削制力和加工熱的評(píng)價(jià)顯著高于普通鋼。高速干式銑削加工具有加工效率和精度較高、切削力較小等特點(diǎn),且在加工過程中不使用化學(xué)切削液,對(duì)環(huán)境無污染,因此在武器裝備、航空航天及汽車制造等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景.隨著涂層技術(shù)與細(xì)晶粒硬質(zhì)合金冶煉技術(shù)的發(fā)展,以(Ti,Al)N涂層為代表具有優(yōu)良高溫切削性能的超硬刀具材料在難加工材料高速切削過程中的應(yīng)用越來越受到重視.劉戰(zhàn)強(qiáng)等研究了常規(guī)材料高速切削條件下的刀具磨損,發(fā)現(xiàn)高速切削時(shí)刀具的前刀面磨損形態(tài)不同于常速切削時(shí)的磨損形態(tài),即其不是表現(xiàn)為月牙洼磨損形式,而是表現(xiàn)為切削刃斜面磨損形式.然而,目前針對(duì)高硬度、高強(qiáng)度難加工材料高速銑削加工中刀具磨損機(jī)理與切削性能的研究報(bào)道很少.為此,本文作者基于快速對(duì)比切削試驗(yàn)考察了(Ti,Al)N涂層與細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具高速干式端面銑削加工超高強(qiáng)度合金鋼和馬氏體不銹鋼時(shí)的磨損特性和切削性能.1實(shí)驗(yàn)部分1.1細(xì)晶粒4種類型材料的切削試驗(yàn)利用DMU70evolution5軸加工中心進(jìn)行高速端面銑削試驗(yàn),其中超高強(qiáng)度合金鋼工件的抗拉強(qiáng)度σb>1.4GPa、硬度50HRC;馬氏體不銹鋼工件的硬度為30HRC;工件尺寸規(guī)格均為200mm×40mm×45mm.考慮到試驗(yàn)所用超高強(qiáng)度合金鋼為國內(nèi)新研制的高性能結(jié)構(gòu)材料,而現(xiàn)有的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具無法在50m/min以上的切削速度下正常使用,故我們采用(Ti,Al)N涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削試驗(yàn).選用2種牌號(hào)、不同Al含量的(Ti,Al)N涂層材料,分別標(biāo)記為GC4025和R245.按照刀具國產(chǎn)化、加工型號(hào)通用化等要求,重點(diǎn)選擇YT767、YW1、YT798和YS30等4類細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具對(duì)馬氏體不銹鋼工件進(jìn)行切削試驗(yàn),刀具的幾何參數(shù)列于表1,涂層材料的元素組成列于表2.1.2對(duì)稱干切削方式本研究著眼于硬質(zhì)合金刀具高速干式銑削難加工材料時(shí)的磨損機(jī)理與刀具壽命(T),因此,所有切削試驗(yàn)均按照刀具壽命試驗(yàn)規(guī)范ISO8688-2進(jìn)行,采用端面中心對(duì)稱干切削方式.根據(jù)切削過程中刀具磨損的實(shí)際狀況,分別在5s、30s和60s等時(shí)間段觀察前、后刀面磨損形貌,測量并記錄刀具后刀面磨損量.試驗(yàn)過程中,選擇刀具后刀面平均磨損量VB值或刃口崩刃高度值超過0.3mm作為磨鈍或失效標(biāo)準(zhǔn);采用工具顯微鏡觀察刀具刃口形貌、前刀面月牙洼形狀和后刀面磨損帶形貌.切削試驗(yàn)結(jié)束以后,采用Joel-5410型掃描電子顯微鏡(SEM)和HP-INCA型能譜分析儀(EDS)觀察失效刀具前、后刀面磨損表面形貌特征,分析刀具磨損機(jī)理.2結(jié)果與分析2.1非自由切削機(jī)理分析工具顯微鏡觀察表明,試驗(yàn)所用(Ti,Al)N涂層與細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具均表現(xiàn)出前、后刀面磨損失效,主切削刃微崩以及刀尖崩塌等失效形式.在相當(dāng)多的情況下,當(dāng)后刀面磨損量尚未達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)、有時(shí)甚至在VB值小于0.1mm時(shí),刀尖或主切削刃即已發(fā)生崩塌和破損,從而導(dǎo)致刀具失效.觀察臨近失效時(shí)的刀具前刀面發(fā)現(xiàn),多數(shù)刀具呈現(xiàn)嚴(yán)重的月牙洼磨損特征.圖1和圖2分別示出了超高強(qiáng)度合金鋼高速切削過程中Ⅰ型(Ti,Al)N涂層刀具發(fā)生磨損失效時(shí)的前刀面形貌SEM照片及磨損中心區(qū)域元素組成EDS分析結(jié)果(切削速度vc=187m/min,ap=1mm,fz=0.1mm/z,VB=0.3mm).可以看出,在高速切削超高強(qiáng)度合金鋼過程中,前刀面的磨損面區(qū)域靠近主切削刃,即切屑與前刀面的接觸接近切削刃(見圖1).由于工件材料屬于高強(qiáng)度、高硬度合金鋼,故刀具在切削過程中所承受的切削力較切削普通合金鋼時(shí)大得多,且切削熱亦大幅度增加,從而使得切削刃區(qū)域的溫度高達(dá)800℃以上.在這樣高的溫度下,刀具材料表面硬度將會(huì)迅速降低,而且涂層材料、切屑材料的氧化反應(yīng)和二者之間的擴(kuò)散過程亦有所加強(qiáng).前刀面磨損區(qū)含有來自于超高強(qiáng)度合金鋼的Mn、Cr、Ni及Fe等元素,以及來自于空氣的O元素(見圖2),這也可以證實(shí)前刀面在切削加工過程中發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象和氧化反應(yīng).與此同時(shí),如圖1所示,前刀面磨損區(qū)存在2個(gè)相對(duì)分離的磨損洼面低點(diǎn),分別位于主、副切削刃附近,并交匯于刀尖附近.這表明切削刃各部分的切屑流動(dòng)方向并不相同,切削刃各部分之間在切削過程中發(fā)生了相互干涉.據(jù)此可以判斷相應(yīng)的切削方式為非自由切削.圖3和圖4分別示出了超高強(qiáng)度合金鋼高速切削過程中Ⅱ型(Ti,Al)N涂層刀具發(fā)生磨損失效時(shí)的前刀面磨損區(qū)域形貌SEM照片及相應(yīng)的元素組成EDS分析結(jié)果(切削速度vc=471m/min,ap=1mm,fz=0.1mm/z).可以看出,隨著涂層材料的剝落,刀具基體上出現(xiàn)了較為明顯的月牙洼(見圖3).可以采用化學(xué)磨損和機(jī)械磨損機(jī)理來解釋刀具的這種磨損特征.換言之,隨著切削過程中刀具表面涂層中的粘結(jié)相與部分硬質(zhì)相氧化反應(yīng)的不斷進(jìn)行,涂層與切屑間的氧化物硬質(zhì)點(diǎn),如氧化鈦和氧化鐵等的數(shù)量顯著增多,從而加劇前刀面涂層的磨粒磨損;在切削刃區(qū)域高溫和刀-屑材料元素組成的梯度差異作用下,涂層材料與切屑材料之間的元素相互擴(kuò)散作用顯著增強(qiáng);在磨粒磨損、粘著磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損的共同作用下,涂層材料發(fā)生剝落.涂層材料剝落后,切屑與刀具基體材料(主要成分為WC+Co)發(fā)生直接接觸,隨著粘結(jié)相元素Co的流失,硬質(zhì)點(diǎn)WC顆粒在摩擦力的作用下被不斷拔出刀具基體;隨著表層中WC含量不斷降低,表面硬度持續(xù)降低,結(jié)果導(dǎo)致高溫下硬度不足的前刀面出現(xiàn)類似月牙洼狀凹形磨損弧面.凹形弧面中心區(qū)域的元素組成EDS分析結(jié)果(參見圖4)同樣證實(shí)在該切削條件下前刀面在切削加工過程中發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象和氧化反應(yīng).2.2熱疲勞微裂紋的發(fā)生機(jī)理使用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具,在vc=286m/min、ap=1mm、fz=0.1mm/z條件下對(duì)馬氏體不銹鋼進(jìn)行高速銑削試驗(yàn),相應(yīng)的前刀面磨損形貌SEM照片示于圖5.可以看出,此時(shí)主切削刃上在周期熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力作用下出現(xiàn)了垂直于刃口的縱向梳狀微裂紋.考慮到銑削加工的斷續(xù)切削特性,隨著切削刃不斷地切入和切出工件,刀具將頻繁經(jīng)歷700~800℃高溫與大氣室溫之間的劇烈加熱、冷卻交替過程,從而在刀具表面引發(fā)源于熱振沖擊的熱疲勞裂紋.此外,在測量刀具的磨損量時(shí),在刃口附近可以觀察到積屑瘤.考慮到韌性較好的馬氏體不銹鋼在切削加工過程中出現(xiàn)較強(qiáng)的加工硬化和嚴(yán)重的毛刺現(xiàn)象,在切屑的擠壓作用、毛刺的掛剝作用以及刀具切入、切出工件時(shí)的沖擊作用下,積屑瘤在脫離前刀面的同時(shí)可引發(fā)切削刃附近的拉、壓應(yīng)力的交替變化.由熱振產(chǎn)生的熱疲勞微裂紋在這種拉、壓應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展.與此同時(shí),在難加工材料高速切削條件下,隨著單位切削力的增大和刀-屑接觸長度的縮短,在切屑對(duì)前刀面單位面積壓力增大的同時(shí),刀-屑接觸時(shí)產(chǎn)生的切削力作用點(diǎn)與切削刃之間的距離縮短.在刀具燒結(jié)過程中,因硬質(zhì)合金中的WC顆粒和粘結(jié)相Co的熱膨脹系數(shù)不同,粘結(jié)相中存在拉應(yīng)力,這種拉應(yīng)力可以同本文前述的由刀具外部傳遞的各種應(yīng)力相互疊加,進(jìn)而可導(dǎo)致粘結(jié)相的塑性屈服破壞.在上述因素的共同作用下,刀尖與切削刃部分產(chǎn)生的微裂紋與微崩刃在刃口區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y.隨著切削的繼續(xù),裂紋不斷向刀具內(nèi)部擴(kuò)展,最終與前刀面月牙洼會(huì)合,引發(fā)剝蝕破損(見圖6),進(jìn)而導(dǎo)致刀尖及刃口部位機(jī)械強(qiáng)度降低、刃口受力狀態(tài)改變、切屑流動(dòng)受阻、刀-屑間摩擦力和切削刃附近溫度升高.據(jù)此可以認(rèn)為,在高速切削難加工材料過程中,前刀面月牙洼磨損的加劇和切削刃區(qū)的剝蝕破損是導(dǎo)致細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具失效的主要原因.2.3細(xì)晶硬的刀具壽命隨切削速度的變化作為評(píng)價(jià)刀具材料切削性能、工件材料切削加工性,以及刀具幾何參數(shù)合理性的重要指標(biāo),刀具壽命試驗(yàn)是研究刀具磨損機(jī)理的重要環(huán)節(jié).圖7和圖8分別示出了細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具高速銑削馬氏體不銹鋼時(shí)的刀具壽命(T)隨每齒進(jìn)給量和切削速度變化的關(guān)系曲線,其中T01、T02、T03和T04分別代表YT767、YW1、YS30和YT798細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具.根據(jù)圖7和圖8所示各曲線的斜率大小可知,切削速度和每齒進(jìn)給量對(duì)刀具壽命具有顯著影響;且切削速度增大導(dǎo)致的刀具壽命降低幅度大于每齒進(jìn)給量增加導(dǎo)致的刀具壽命降低幅度.此外,切削速度提高導(dǎo)致切削溫度大幅上升,從而顯著降低刀具壽命,并嚴(yán)重影響工件加工表面質(zhì)量和組織特性.因此,在充分利用高速切削優(yōu)勢的同時(shí),應(yīng)當(dāng)盡可能地降低刀具成本和換刀輔助工藝時(shí)間,為此,在滿足工件表面質(zhì)量要求的前提下,應(yīng)優(yōu)先考慮提高每齒進(jìn)給量.3下鞣劑c.al的研磨機(jī)理a.硬質(zhì)合金刀具在難加工材料的高速銑削加工中的主要失效形式