王曦，黃樹濤，張玉璞，許立福，于曉琳

沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度高、硬度大，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車和兵器等機(jī)械裝備的關(guān)鍵承力部件，如飛機(jī)起落架、翼梁、汽車前內(nèi)縱梁和中支柱里板等[1-4]。由于含有大量的Cr、Ni等元素，在提高機(jī)械性能的同時也使得加工困難[5，6]，存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損速率快、加工效率低和加工表面質(zhì)量差等問題[7-9]。

在使用過程中，高強(qiáng)度鋼的表面完整性對其使用性能存在顯著影響[10]。為此，許多學(xué)者對其加工表面質(zhì)量進(jìn)行了研究。Guangming Zheng等[11]從表面粗糙度、顯微組織、殘余應(yīng)力和顯微硬度方面研究了TiCN-NbC復(fù)合涂層刀具高速銑削加工AISI4340高強(qiáng)度鋼后的表面完整性。Jin Xu等[12]通過對16Co14Ni10Cr2Mo超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該材料適合小切削深度和高切削速度加工。Yongxin Wang等[13]通過正交試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)車削A100超高強(qiáng)度鋼時表面粗糙度受進(jìn)給量、切削深度和主軸轉(zhuǎn)速的影響很大。Adel Taha Abbas等[14]通過DOE全因子設(shè)計試驗(yàn)，使用硬質(zhì)合金刀具對高強(qiáng)度鋼進(jìn)行端面銑削，分析了切削參數(shù)對加工表面粗糙度的影響，結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響顯著。Le Gong等[15]研究了低溫條件下干銑削35CrMnSiA高強(qiáng)度鋼時，射流溫度和冷卻條件對表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)低溫能有效降低加工表面的殘余應(yīng)力、表面粗糙度與顯微硬度。

切削高強(qiáng)度鋼時，作用于刀具上的載荷與普通鋼材有很大區(qū)別，刀具易出現(xiàn)崩刃、塌陷、涂層剝落、微裂紋、元素擴(kuò)散和材料氧化等[16-18]加速刀具磨損的現(xiàn)象，因此，切削高強(qiáng)度鋼時的刀具耐磨性成為其中一個重要問題。Huiping Zhang等[19]對比了干切削與CMQL條件下車削300M超高強(qiáng)度鋼的涂層硬質(zhì)合金刀具磨損特點(diǎn)，得出CMQL能更好地降低涂層硬質(zhì)合金的粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損的結(jié)論。Yingzhao Yu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，采用CVD(TiCN-Al2O3)涂層刀具高速車削300M超高強(qiáng)度鋼時，刀具磨損微觀表面形成的自組織結(jié)構(gòu)有利于提高刀具的耐磨性并延長刀具壽命。Xu Qingzhong等[21]制造了兩種不同類型的金屬陶瓷刀具——TMWNC和TMWC，分析了兩種刀具加工高強(qiáng)度鋼的切削性能，發(fā)現(xiàn)TMWNC刀具的斷裂韌性較高且具有較好的抗邊緣崩裂能力，TMWC的硬度與熱硬度較好，具有更好的抗斷裂特性，兩種類型刀片均適用于高強(qiáng)度鋼的切削加工。

綜上可知，對高強(qiáng)度鋼的切削研究主要集中在對不同類型高強(qiáng)度鋼切削加工后的表面完整性以及切削條件對刀具磨損的影響。目前對涂層硬質(zhì)合金刀具高速銑削AF1410高強(qiáng)度鋼時的磨損特點(diǎn)以及刀具磨損對已加工表面溫度的影響研究較少，工件已加工表面溫度直接影響已加工表面的組織、應(yīng)力狀態(tài)、表面質(zhì)量及使用性能。因此，本文基于實(shí)際加工要求，研究長時間高速銑削AF1410高強(qiáng)度鋼時刀具的磨損特點(diǎn)、磨損規(guī)律及其對已加工表面溫度的影響，為高強(qiáng)度鋼高速銑削工藝的制定提供參考。

2 試驗(yàn)條件與方案

試驗(yàn)用工件材料為AF1410高強(qiáng)度鋼，其物理機(jī)械性能見表1，刀具采用CVD TiCrN+Al2O3+TiN涂層硬質(zhì)合金單刃銑刀，具有較好的抗粘結(jié)性能、硬度、耐磨性以及耐高溫性，銑刀直徑為d=12mm，幾何角度見表2。

表1 AF1410機(jī)械物理性能[22]

表2 刀具幾何參數(shù)

本研究采用高速切削的加工方法，使用涂層硬質(zhì)合金銑刀對高強(qiáng)度鋼進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，切削參數(shù)見表3。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1，機(jī)床采用沈陽機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的立式加工中心，主軸轉(zhuǎn)速50～8000r/min；使用基恩士VHX-1000C型超景深顯微鏡測量刀具后刀面磨損量。由于銑削過程中切削區(qū)域的溫度難以測量，而銑削過程中已加工表面的溫度對工件表面組織及性能有更大影響，因此試驗(yàn)采用Fluke公司生產(chǎn)的Tix 660紅外熱像儀測量分析銑削過程中已加工表面、刀具切出點(diǎn)和切屑的溫度，該熱像儀的量程為-40℃～1200℃。在干式逆銑條件下進(jìn)行切削試驗(yàn)。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)的切削路徑長度L的計算公式為

(1)

式中，L為切削路徑長度；La為刀具中心走刀距離；d為刀具直徑。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 刀具磨損形貌及磨損規(guī)律分析

在Vc=270m/min，fz=0.02mm/z，ap=0.5mm，ae=10mm干式逆銑削條件下，刀具前、后刀面磨損形貌隨切削路徑長度變化見圖2。可見，刀具磨損主要發(fā)生在后刀面，由于切屑流動對前刀面的摩擦，在前刀面較窄寬度范圍內(nèi)形成了沿切屑流動方向的切屑擦痕，磨損量較小；切削路徑長度達(dá)3696m時，在靠近圓弧刃與副切削刃相交位置出現(xiàn)微小崩刃，并在后續(xù)切削中略有擴(kuò)大。這是由于高速銑削過程中，圓弧刃靠近副切削刃的位置切削熱不易擴(kuò)散，刀具在該位置溫度較高，形成較大的熱應(yīng)力，同時在機(jī)械擠壓和機(jī)械沖擊作用下，容易形成微小崩刃。在整個切削過程中，后刀面磨損為正常磨損，沿切削速度方向形成了明顯的磨損溝痕。隨著切削路徑長度的增加，后刀面磨損帶逐漸變寬，磨損形態(tài)呈平凸形分布，在刀尖所對應(yīng)后刀面處磨損寬度最大。

(a)247m

使用超景深顯微鏡測量后刀面最大磨損寬度，得到后刀面磨損量VBmax隨切削路徑長度變化曲線(見圖3)?？梢?，切削路徑長度為0～1542m時，刀具磨損速率最快，為初期劇烈磨損階段；當(dāng)切削路徑長度為1542～5529m時，刀具磨損速率降低，為穩(wěn)定磨損階段。銑削試驗(yàn)結(jié)束后，后刀面最大磨損量為119μm。

3.2 工件已加工表面及切屑溫度分析

在Vc=270m/min，fz=0.02mm/z，ap=0.5mm，ae=10mm干式逆銑削條件下，切削路徑長度為2800m時，使用紅外熱像儀測得的切削溫度場見圖4a，根據(jù)圖4b所示位置標(biāo)記已加工表面溫度Tms以及刀具切出點(diǎn)溫度Tc?？梢?，已加工表面溫度Tms最低，僅為33.5℃，遠(yuǎn)低于刀具切出點(diǎn)溫度Tc(221.1℃)。一方面，由于工件材料中Ni元素含量較高(9.93%)[23]以及刀具涂層含鈦，降低了工件[24]與刀具導(dǎo)熱性；另一方面，從試驗(yàn)現(xiàn)象分析，切削速度為270m/min時形成螺旋狀切屑(見圖5)，其自由端出現(xiàn)三角形毛邊，這是由于絕熱剪切效應(yīng)導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展形成[25]，切屑表面在高溫下被氧化為藍(lán)黑色，說明切削熱主要被切屑帶走，從而使已加工表面溫度Tms遠(yuǎn)低于刀具切出點(diǎn)溫度Tc。刀具切出材料后溫度逐漸降低。

(a)切削溫度場

(a)50倍整體形貌

Vc=270m/min，fz=0.02mm/z，ap=0.5mm，ae=10mm，干式逆銑

Vc=270m/min，fz=0.02mm/z，ap=0.5mm，ae=10mm，干式逆銑

Vc=270m/min，fz=0.02mm/z，ap=0.5mm，ae=10mm，干式逆銑

圖5 切屑形貌

圖6為不同切削路徑長度內(nèi)的切削溫度變化云圖?？梢?，隨著切削路徑長度的增加，已加工表面溫度Tms從切削路徑長度247m時的29.4℃增至切削路徑長度5529m時的51.8℃，增幅為22.4℃；而刀具切出點(diǎn)溫度Tc則從163.9℃增至245.2℃，增幅為83.9℃，增幅約為已加工表面溫度Tms的4倍。這主要是因?yàn)榈毒吣p后，增大了刀具與工件之間的接觸擠壓作用，使得切削發(fā)熱量增大，同時由于工件材料、含鈦涂層刀具的導(dǎo)熱性較差以及高速切削產(chǎn)生的絕熱剪切效應(yīng)，使得大量切削熱主要隨切屑飛濺擴(kuò)散，導(dǎo)致已加工表面溫度Tms增幅低于刀具切出點(diǎn)溫度Tc。

(a)247m

對不同切削路徑長度內(nèi)記錄的切削溫度數(shù)據(jù)，隨機(jī)標(biāo)記5個時刻的已加工表面溫度Tms以及刀具切出點(diǎn)溫度Tc并分別取平均值，得到切削溫度隨切削路徑長度變化曲線(見圖7)。可見，由于工件、刀具的導(dǎo)熱性較差以及切削速度較高，隨著切削路徑長度的增加，已加工表面溫度均值Tms-mean小幅上升，從切削路徑長度為247m時的31.56℃增至切削路徑長度為5229m時的46.24℃，增幅僅為14.68℃。在整個切削過程中已加工表面溫度標(biāo)記值在切削路徑長度5061～5229m范圍內(nèi)取最大值Tms-max(56.9℃)，在切削路徑長度81～247m范圍內(nèi)取最小值Tms-min(20.7℃)，相差僅為36.2℃，說明已加工表面的溫度Tms在高速切削條件下受刀具磨損影響較小，溫升程度較低。刀具切出點(diǎn)溫度均值Tc-mean在刀具初期劇烈磨損階段(0～1542m)溫升變化較快，而在穩(wěn)定磨損階段(1542～5229m)緩慢上升。這主要是由于初期劇烈磨損階段的刀具磨損速率快，磨損量增量大，使得刀具與工件材料之間的接觸作用變強(qiáng)，導(dǎo)致初期溫升速率較高。

4 結(jié)語

使用涂層硬質(zhì)合金刀具對AF1410高強(qiáng)度鋼進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，研究高速切削過程中刀具磨損、已加工表面溫度Tms以及刀具切出點(diǎn)溫度Tc的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論。

(1)CVD TiCrN+Al2O3+TiN涂層硬質(zhì)合金刀具能夠長時間穩(wěn)定地對AF1410進(jìn)行高速銑削，刀具磨損以后刀面的正常磨損為主，在前刀面較窄寬度范圍內(nèi)形成了沿切屑流動方向的切屑擦痕。切削過程中，在靠近圓弧刃與副切削刃相交位置存在刀刃的微小崩刃。

(2)高速銑削AF1410高強(qiáng)度鋼時，工件已加工表面溫度Tms較低，而且受刀具磨損變化影響較小，隨著切削路徑長度的增加而小幅上升。

(3)刀具切出點(diǎn)溫度Tc的升高速率受刀具磨損速率影響較大，在初期劇烈磨損階段溫升速率較快，在穩(wěn)定磨損階段溫升速率較平緩。