王凱， 孫劍飛，2， 杜大喜， 陳五一，2

(1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院, 北京 100191; 2.先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100191)

硬質(zhì)合金刀具月牙洼磨損定量化實驗研究

王凱1， 孫劍飛1，2， 杜大喜1， 陳五一1，2

(1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院, 北京 100191; 2.先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100191)

定量研究了細晶粒硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金TC4過程中，不同切削參數(shù)對月牙洼磨損演變速率和磨損體積的影響。采用等高線圖描繪不同切削參數(shù)下月牙洼的磨損形貌，求解月牙洼每一個磨損深度下等高線所圍區(qū)域的面積，并闡述等高線所圍區(qū)域面積隨其磨損深度變化的關(guān)系。引入月牙洼磨損演變速率，用于表征月牙洼沿其磨損深度方向磨損的快慢程度，分析了切削參數(shù)對月牙洼磨損演變速率的影響規(guī)律。求解出不同切削參數(shù)下月牙洼的磨損體積，分析了切削速度、進給率和工件材料去除率對月牙洼磨損體積的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，切削速度是影響月牙洼磨損體積的主導因素。

刀具技術(shù)； 月牙洼磨損； 切削參數(shù)； 磨損演變速率； 磨損體積； 硬質(zhì)合金刀具； 鈦合金

0 引言

鈦合金對一個國家的國防、經(jīng)濟和科技發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但鈦合金是典型的難加工材料，在加工過程中，給刀具耐用度帶來了嚴重的影響，常有前刀面月牙洼磨損、邊界磨損、微崩刃磨損甚至破損等發(fā)生[1]。月牙洼磨損對金屬切削過程有很大影響。Li等[2]在采用熱力耦合有限元模型對工具鋼進行正交切削仿真的研究中發(fā)現(xiàn)，月牙洼大小對刀具- 切屑接觸面間應(yīng)力和切削溫度的大小、分布以及切屑的形成有很大的影響。同時研究表明，月牙洼尺寸越大，切屑卷曲半徑越大。Hartung等[3]在用硬質(zhì)合金刀具車削鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)的研究中發(fā)現(xiàn)，月牙洼磨損會影響刀具使用壽命，這是因為在切削過程中刀具后刀面磨損比較穩(wěn)定，對刀具壽命影響不大，但當月牙洼寬度發(fā)展到其前緣與切削刃之間的棱邊變得很窄時，會嚴重降低切削刃抗彎強度，致使切削刃發(fā)生塑性變形，反過來會加劇后刀面的磨損，進而影響刀具的使用壽命。Zhang等[4]在用非涂層硬質(zhì)合金刀具高速銑削TC4的研究中發(fā)現(xiàn)，月牙洼磨損和后刀面磨損相交于刀具主切削刃，并延伸至刀具副切削刃，致使切削刃高度下降。另外，Zhang等[4]和Sun等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著月牙洼最大磨損深度KT的增加和切削刃高度的下降，會引起刀具前角的變化，進而引起進給力的變化，甚至造成刀具破損。Wei等[6]在用硬質(zhì)合金刀具車削TC4的研究中發(fā)現(xiàn)，月牙洼影響刀尖處壓力，進而影響刀具磨損和使用壽命。

一些學者對硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金TC4過程中刀具磨損做了定量研究。Kuttolamadom等[7]采用逆向工程方法求解了刀具磨損體積，即采集刀具磨損表面數(shù)據(jù)點云并導入到逆向工程軟件Rapidform XOR/Redesign中生成CAD參數(shù)化模型，然后將模型導入到三維建模軟件(UG、SolidWorks等)中，利用軟件自帶的功能求得刀具磨損體積。Kuttolamadom等[8]在金屬去除量一定的條件下，提出M比值(見(1)式)來定量分析刀具每次走刀時的切削效率；另外定量分析了晶粒大小對刀具磨損體積的影響，指出碳化鎢(WC)晶粒較小的硬質(zhì)合金刀具磨損體積明顯低于WC晶粒較大的硬質(zhì)合金刀具[9]；并且還研究了刀具磨損體積和刀具磨損率與工件材料去除率之間的關(guān)系[10]；還推導出了刀具磨損體積的預(yù)測模型，并提出了一種判定刀具使用壽命的新方法[11]。

(1)

式中：Vw為工件材料去除體積;Vt為刀具磨損體積。

KT是表征月牙洼磨損程度最重要的物理量，很多學者對其展開了深入研究。Shimada等[12]研究了涂層材料對硬質(zhì)合金刀具月牙洼磨損KT值的影響，研究結(jié)果表明：與TiN/TiBC復(fù)合涂層相比，TiCN涂層具有更好的抑制KT增長的能力。Attanasio等[13]對硬質(zhì)合金刀具車削AISI 1045鋼進行了三維仿真，仿真結(jié)果得到的KT值與實驗值基本一致。另外，還采用有限元模型對非涂層硬質(zhì)合金ISO P40刀具車削AISI 1045鋼進行了仿真，仿真結(jié)果得到的月牙洼磨損輪廓與實驗所得結(jié)果基本一致[14]。然而，僅用KT值來衡量月牙洼的磨損程度是不充分的，因為KT并不總能反映月牙洼磨損量的大小(例如磨損體積)以及磨損演變的快慢。

通過上述分析可以看出，雖然有關(guān)月牙洼磨損的研究已經(jīng)做了很多工作，但有關(guān)月牙洼磨損演變進程和磨損體積的研究卻很少見。本文通過定量研究切削參數(shù)對月牙洼磨損演變進程的影響，闡述了切削參數(shù)對月牙洼磨損演變進程和磨損速率的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了月牙洼磨損體積的求解，并闡述了切削速度、進給率和工件材料去除率對月牙洼磨損體積的影響規(guī)律。月牙洼磨損體積的定量研究，對于合理選擇切削參數(shù)，進一步優(yōu)化切削過程具有一定的指導意義。

1 實驗條件

在干切削條件下，采用非涂層細晶粒硬質(zhì)合金刀片(SNGA120408，KW10, KYOCERA)對TC4圓柱棒料(直徑為100 mm，長度為200 mm)進行車削實驗，研究切削參數(shù)對刀具月牙洼磨損演變進程和月牙洼磨損體積的影響。刀具材料成分為WC和Co，晶粒平均尺寸為1 μm，實驗設(shè)計方案如表1所示。在切削過程中，刀具前角為-6°，后角為6°，刃傾角為4°，主偏角為75°，切削長度保持在95～100 mm之間。

表1中：v為切削速度，f為進給率，ap為切削深度。

使用由日本JEOL公司生產(chǎn)的JSM6010掃描電子顯微鏡，采集刀片月牙洼磨損形貌，采用由日本OLYMPUS公司生產(chǎn)的OLS4100 LEXT激光共聚焦顯微鏡，提取刀片月牙洼磨損表面數(shù)據(jù)點云。由某一切削參數(shù)下，掃描電子顯微鏡得到的月牙洼磨損形貌(見圖1(a))可以看出，一層厚厚的工件材料隨機粘結(jié)在月牙洼磨損表面上，不利于切削參數(shù)對月牙洼磨損演變進程和磨損體積的研究。將濃硝酸和氫氟酸按照一定比例進行混合[15]，將已磨損刀片浸入其中一段時間，以去除月牙洼磨損表面上的粘結(jié)層，去除粘結(jié)層后的月牙洼磨損形貌如圖1(b)所示，表明粘接層去除效果良好。

表1 實驗設(shè)計方案

圖1 月牙洼磨損形貌(v=100 m/min，f=0.075 mm/r，ap=1.5 mm)Fig.1 Crater wear morphologies of a worn cutting tool (v=100 m/min, f=0.075 mm/r, ap=1.5 mm)

2 數(shù)據(jù)分析

刀具磨鈍標準依照國家標準GB/T 16461—1996中的規(guī)定，即當后刀面平均磨損寬度VB達到0.3 mm，或后刀面最大磨損寬度VBmax達到0.6 mm，亦或KT值達到由(2)式所決定的值時，認為刀具達到磨鈍標準。在激光共聚焦顯微鏡內(nèi)測得不同切削參數(shù)下的VB值如表2所示，KT值如表3所示。由表2和表3可知，所有切削參數(shù)下刀片均在磨鈍標準范圍內(nèi)。

KT=0.06+0.3f. (2)

表3 不同切削參數(shù)下月牙洼最大磨損深度KT

2.1 月牙洼形貌描述方法

采用等高線圖來描述月牙洼的磨損形貌。等高線是一條封閉曲線，月牙洼磨損表面上具有相同磨損深度h的一系列點位于同一條等高線上。利用激光共聚焦顯微鏡采集月牙洼磨損表面上各個點的磨損深度，并將采集到的數(shù)據(jù)點云導入到MATLAB軟件中。為了便于研究，將月牙洼磨損表面上所有點的磨損深度四舍五入到與其相近的整數(shù)(單位μm)，運用MATLAB軟件中自帶的contourf函數(shù)得到月牙洼磨損形貌(如圖2所示，以切削參數(shù)v=100 m/min，f分別為0.050 mm/r、0.075 mm/r、0.100 mm/r、0.125 mm/r為例)相應(yīng)的等高線圖 (見圖3)。對于刀具月牙洼磨損形貌等高線圖，由切削刃塑性變形造成的部分等高線不是封閉曲線(見圖3(d))。提取某一磨損深度下的等高線(見圖4)，依據(jù)(3)式分4種情況(①、②、③和④)計算等高線所包圍的面積(簡稱等高線面積)。

圖2 去除粘接層后不同進給率下月牙洼的磨損形貌(v=100 m/min，放大倍數(shù)80)Fig.2 Crater wear morphologies after removing adhesion layers at different feed rates (v=100 m/min,80×)

圖3 不同進給率下月牙洼磨損形貌的等高線圖(v=100 m/min)Fig.3 Contour maps of the crater wear morphologies at different feed rates (v=100 m/min)

(3)

式中：Sh為某一磨損深度h對應(yīng)的等高線面積(mm2)；Δl、Δb分別為等高線所圍區(qū)域面積微元的長度和寬度(mm)。

圖4 等高線實測圖Fig.4 Measured contour line

由此得到不同切削參數(shù)下，不同磨損深度h對應(yīng)的等高線面積(如表4所示為某一切削參數(shù)下不同磨損深度對應(yīng)的等高線面積)。注意：所有等高線面積對應(yīng)的磨損深度從4 μm開始，是因為刀具表面并不是絕對地光滑，磨損深度在[0 μm，3 μm]范圍內(nèi)時，與前刀面未磨損區(qū)域的表面粗糙度值相當，因此磨損深度在[0 μm，3 μm]范圍內(nèi)的等高線面積不予考慮。當f=0.125 mm/r時，磨損深度從6 μm開始，是因為磨損深度在[4 μm，6 μm]時，月牙洼周邊區(qū)域受到切屑的刮擦，而變的粗糙不平整，因此其對應(yīng)的等高線面積不予考慮。

表4 不同磨損深度對應(yīng)的等高線面積(v=80 m/min,f=0.075 mm/r，KT=16.406 μm)

2.2 月牙洼磨損演變進程

圖5 不同切削參數(shù)下等高線面積與其磨損深度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the area of contour region and its wear depth in the case of different cutting parameters

提取不同切削參數(shù)下不同磨損深度對應(yīng)的等高線面積，如圖5所示，在工件材料去除體積一定的情況下，增加切削速度或進給率，等高線面積均會增加，表明月牙洼磨損加劇。這是由于增加切削速度或進給率，均會引起切削溫度的增加，高溫一方面會引起刀具材料基體硬度的降低[16]，另一方面Jawaid等[17]、Zhang等[18]和Bai等[19]研究表明：高溫加速刀具基體中黏結(jié)劑Co元素的擴散，造成工件材料基體抗彎強度的降低，因而增加切削速度或進給率均會加劇刀具月牙洼的磨損。

由圖5還可看出，不同切削參數(shù)下(v=80 m/min，f=0.050 mm/r除外)，等高線面積與其磨損深度近似呈線性關(guān)系。當v=80 m/min，f=0.050 mm/r時，KT=3.617 μm，月牙洼磨損不明顯，等高線面積與其磨損深度的關(guān)系不予考慮；當切削速度和進給率較大時，如當v=100 m/min，f=0.125 mm/r時，由圖5可知，等高線面積與磨損深度雖然近似呈線性關(guān)系，但在磨損深度較小的區(qū)域，等高線面積隨磨損深度線性增加的趨勢變緩；這是由于此時KT值較大，刀具- 切屑作用區(qū)域主要集中于月牙洼磨損深處，對于磨損深度較淺處，刀具- 切屑相互作用的程度較低；同時，當切削速度和進給率非常高時，切削溫度的升高造成切削刃塑性變形增加，切削刃高度下降，等高線主要沿遠離切削刃的方向擴展，且面積增加速率逐漸降低；當切削速度和進給率進一步增大時，等高線面積甚至不會再進一步增加。

綜上所述，該月牙洼磨損演變規(guī)律適用于表征中等切削參數(shù)下硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金的加工過程。

2.3 切削參數(shù)對月牙洼磨損演變速率的影響

為了研究切削參數(shù)對月牙洼磨損演變快慢的影響，用月牙洼磨損演變速率表達單位月牙洼磨損深度下等高線面積的變化量，以表征月牙洼沿其磨損深度方向磨損的快慢程度。由上述對圖5的分析可知，等高線面積與其磨損深度近似呈線性關(guān)系，因此采用1階多項式對其進行擬合，提取擬合直線的斜率，該斜率即為月牙洼磨損演變速率。由此不難看出，擬合直線斜率越大，月牙洼磨損演變速率越大，表明月牙洼沿其磨損深度方向磨損越快。

提取不同切削參數(shù)下擬合直線的斜率，如圖6所示，保持進給率恒定，隨著切削速度的增加，月牙洼磨損演變速率逐漸降低。在進給率較大時，月牙洼磨損演變速率隨切削速度的變化曲線明顯低于進給率較小時的情況，如f=0.125 mm/r對應(yīng)的月牙洼磨損演變速率曲線明顯低于f=0.100 mm/r、0.075 mm/r和0.050 mm/r對應(yīng)的月牙洼磨損演變速率曲線。這是因為進給率比較大時，單位時間內(nèi)金屬去除量增大，切屑所帶走的剪切熱和摩擦熱亦增多，切削溫度的提高比較緩慢[1]，因此月牙洼磨損演變速率降低。

圖6 月牙洼磨損演變速率隨切削速度的變化曲線Fig.6 Relationship between the developing rate of crater wear and cutting speed

2.4 切削參數(shù)對月牙洼磨損體積的影響

2.4.1 磨損體積的求解

在已知各磨損深度對應(yīng)的等高線面積的基礎(chǔ)上，可根據(jù)(4)式求得月牙洼磨損體積，但在上述2.1節(jié)的分析中，磨損深度在[0 μm，3 μm]時等高線面積未被考慮，但在上述對圖5的分析中可知，等高線面積與其磨損深度近似呈線性關(guān)系，因此可通過線性擬合得到的直線預(yù)測磨損深度在[0 μm，3 μm]處的等高線面積。即已知等高線面積與其磨損深度變化關(guān)系的擬合曲線(見(5)式)，令h分別為0 μm、1 μm、2 μm、3 μm，依次求得S0、S1、S2、S3，再利用(4)式求得月牙洼磨損體積?；谏鲜龇椒?，依次求得各切削參數(shù)下月牙洼的磨損體積，如表5所示。

(4)

式中：V為月牙洼磨損體積(mm3)；Δh為相鄰兩等高線面積對應(yīng)的磨損深度的高度差(μm)。

Sh=kh+c,

(5)

式中：k、c為擬合系數(shù)。

表5 不同切削參數(shù)下月牙洼磨損體積V

2.4.2 切削參數(shù)的影響

為了分析切削速度和進給率對月牙洼磨損體積的影響，提取不同切削參數(shù)下的月牙洼磨損體積，如圖7所示，月牙洼磨損體積隨著切削速度或進給率的增加而增加。

圖7 月牙洼磨損體積隨切削參數(shù)的變化曲線Fig.7 Relationship between the volume of crater wear and cutting parameter

2.4.3 工件材料去除率的影響

工件材料去除率Z，即單位時間內(nèi)工件材料的去除體積(mm3/min)。工件材料去除率[20]可表示為

Z=1 000vfap.

(6)

在切削深度一定的情況下，工件材料去除率可綜合考慮切削速度和進給率對月牙洼磨損體積的影響。分別求得不同切削參數(shù)下對應(yīng)的工件材料去除率。注意：當m組切削參數(shù)((v1，f1)，(v2，f2)，…,(vm，fm))對應(yīng)的月牙洼磨損體積(V1，V2，…，Vm)產(chǎn)生同一個工件材料去除率Z時，該工件材料去除率Z對應(yīng)的月牙洼磨損體積為上述m組切削參數(shù)對應(yīng)的月牙洼磨損體積的平均值(Va=(V1+V2+…+Vm)/m)。分別提取不同工件材料去除率對應(yīng)的月牙洼磨損體積，如圖8所示。由月牙洼磨損體積隨工件材料去除率的變化趨勢可知，月牙洼磨損體積隨工件材料去除率近似呈二次函數(shù)形式增加，對其進行二次多項式擬合(擬合函數(shù)如(7)式所示，擬合誤差為0.000 651 9)。

V=10-6(6.73×10-5Z2-0.308 1Z-0.855 5).

(7)

圖8 月牙洼磨損體積隨工件材料去除率的變化曲線Fig.8 Relationship between the volume of crater wear and material removal rate

由圖8和(7)式可知，隨著工件材料去除率的增加，月牙洼磨損體積近似呈二次函數(shù)形式增加，而如前所述，工件材料去除率綜合考慮了切削速度和進給率的影響，因此比切削速度和進給率更能綜合反映切削參數(shù)對月牙洼磨損的劇烈程度；另外，如表6所示，Z=11 250 mm3/min時的月牙洼磨損體積比Z=12 000 mm3/min時的月牙洼磨損體積大；同時當Z=15 000 mm3/min時，切削速度高時月牙洼磨損體積大；可知與進給率相比，切削速度對月牙洼磨損體積的影響起主導作用，這與切削速度對切削溫度的影響起主導作用相一致。

表6 工件材料去除率接近或相等時月牙洼的 磨損體積

3 結(jié)論

在干切削條件下，對非涂層細晶粒硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金TC4過程中，刀具前刀面形成的月牙洼進行了一種定量化實驗研究。實現(xiàn)了切削參數(shù)對月牙洼磨損演變速率和磨損體積影響規(guī)律的定量研究，可為優(yōu)化金屬切削加工提供必要的理論和實驗基礎(chǔ)。在中等切削參數(shù)條件下，具體結(jié)論為：

1) 隨著切削速度的增加，月牙洼面積沿磨損深度方向的變化逐漸變小，月牙洼沿其磨損深度方向的磨損速率逐漸降低。

2) 在工件材料去除體積一定的情況下，月牙洼磨損體積隨切削速度或進給率的增加而增加，表明增加切削速度或進給率，均會加劇月牙洼的磨損。

3) 隨著工件材料去除率的增加，月牙洼磨損體積近似呈二次函數(shù)形式增加，而工件材料去除率綜合考慮了切削速度和進給率的影響，因此工件材料去除率比切削速度和進給率更能綜合反映切削參數(shù)對月牙洼磨損的劇烈程度。

4) 當不同切削參數(shù)對應(yīng)的工件材料去除率相近或相等時，切削速度起主導作用，即切削速度大時，月牙洼磨損體積會更大，即月牙洼磨損會更嚴重。

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Quantitative Experimental Analysis on Crater Wear of Cemented Carbide Tools

WANG Kai1， SUN Jian-fei1,2， DU Da-xi1， CHEN Wu-yi1,2

(1.School of Mechanical Engineering & Automation, Beihang University, Beijing 100191， China;2.Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine, Beijing 100191, China)

The effects of cutting parameters on the developing rate and volume of crater wear of uncoated cemented carbide tool during turning of TC4 alloy are investigated. Contour maps are used to describe the crater morphologies and study the relationship between the area of contour region and its wear depth in the case of the different cutting parameters. The evolution rate of crater wear is introduced to describe the variation rate of the area of contour region with its wear depth. The effects of cutting parameters on the developing rate of crater wear are analyzed. The volume of crater wear is obtained in the case of the different cutting parameters, and the effects of cutting speed, feed rate and material removal rate on the volume of crater wear are analyzed. The research result shows that the cutting speed is the primary factor in determining the volume of crater wear.

cutting tool technology; crater wear; cutting parameter; wear rate; wear volume; cemented carbide tool; titanium alloy

2016-12-19

國家自然科學基金項目( 51305017、51575029)

王凱(1988—)，男，博士研究生。E-mail：wangkai1988222@163.com

孫劍飛(1981—)，男，講師。E-mail：sjf@buaa.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.08.016

TG501.1

A

1000-1093(2017)08-1578-08