陳宇，孔金星，張振宇

(1.中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽 621999；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024)

0 前言

純鐵材料因其優(yōu)異的塑性、抗沖擊性、電磁性能,廣泛應(yīng)用于電力電子、國(guó)防軍工、能源等行業(yè)中。但純鐵材料屬于高塑性、高韌性類難加工材料，有加工硬化嚴(yán)重、切削變形大、易粘結(jié)在刀具表面、與刀具親和性強(qiáng)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具快速磨損。在生產(chǎn)制造高精度純鐵構(gòu)件過程中刀具磨損必然是限制其加工精度、加工質(zhì)量的重要因素。

為探明純鐵切削過程中刀具磨損形式、規(guī)律及磨損機(jī)制，優(yōu)化加工工藝，實(shí)現(xiàn)刀具耐用度提升，一些研究人員對(duì)純鐵材料切削的刀具磨損進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究?？捉鹦堑妊芯苛烁汕?、水冷、MQL以及菜籽油潤(rùn)滑4種方式下刀具磨損形態(tài)、壽命及機(jī)制，刀具磨損形態(tài)以主、副溝槽磨損為主；MQL條件下刀具壽命最長(zhǎng)，而水冷時(shí)最?。粩U(kuò)散磨損、氧化磨損和黏結(jié)磨損是主要磨損機(jī)制。KONG等針對(duì)未涂層硬質(zhì)合金切削純鐵時(shí)出現(xiàn)的溝槽磨損展開詳細(xì)研究，認(rèn)為溝槽磨損的形成機(jī)制是黏結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損及氧化磨損的綜合作用。徐東鳴等認(rèn)為金屬陶瓷刀具切削純鐵材料的耐磨性優(yōu)于硬質(zhì)合金，而切削區(qū)的高溫導(dǎo)致金屬陶瓷刀具以擴(kuò)散磨損為主。殷躍成等發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具和金屬陶瓷刀具切削純鐵時(shí)都出現(xiàn)了后刀面均勻磨損帶和V形溝槽磨損，金屬陶瓷和涂層刀具的壽命高于硬質(zhì)合金刀具。陶恒等人采用硬質(zhì)合金刀具、CBN刀具、陶瓷刀具進(jìn)行純鐵材料的切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3種不同材質(zhì)的刀具磨損形式不同。對(duì)于硬質(zhì)合金，月牙洼磨損和邊界磨損是主要的磨損形式，主要磨損機(jī)制為黏結(jié)磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

當(dāng)前針對(duì)純鐵切削刀具磨損的研究，基本都是以磨損形式、磨損機(jī)制為主，缺乏對(duì)刀具刃口磨損特征演化的分析。因此，本文作者研究涂層硬質(zhì)合金刀具精密切削純鐵材料過程中刃口磨損特征的演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

工件材料選用5～6級(jí)晶粒度的純鐵，其化學(xué)成分如表1所示。純鐵端面切削試驗(yàn)在數(shù)控車床CK6150S/1000上進(jìn)行，刀具選用肯納公司生產(chǎn)的DCGT11T302 HP KC5010鋒利型涂層硬質(zhì)合金刀具，其表面涂層為TiAlN。切削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為200、400 r/min，進(jìn)給量為0.08 mm/r，切削深度為0.1 mm。加工試驗(yàn)裝置如圖1所示。

表1 純鐵材料的化學(xué)成分

圖1 切削試驗(yàn)裝置

切削過程中每隔一段時(shí)間通過超景深顯微鏡對(duì)刀具進(jìn)行離線觀測(cè)，具體分為前刀面觀測(cè)、后刀面觀測(cè)、刀具磨損三維形貌圖獲取。針對(duì)溝槽磨損，在前刀面上通過超景深顯微鏡測(cè)量溝槽磨損深度，如圖2所示。在獲得刀具磨損三維形貌圖的基礎(chǔ)上提取二維鈍圓輪廓數(shù)據(jù)，通過二維鈍圓輪廓獲得刀具鈍圓輪廓變化。測(cè)量刀具磨損之前用10%濃度的稀硝酸腐蝕去除刀具表面的殘余材料。

圖2 溝槽磨損深度測(cè)量

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損形貌

刀具磨損發(fā)生于刀工接觸區(qū)和刀屑接觸區(qū)，在刀屑接觸區(qū)形成了前刀面磨損，在刀工接觸區(qū)形成了后刀面磨損。圖3所示為刀具前刀面磨損形貌隨切削時(shí)間的變化情況?？芍弘S著切削時(shí)間增加，切削刃口處溝槽不斷擴(kuò)大，刀尖處涂層厚度不斷變薄，最終硬質(zhì)合金基體裸露出。在前刀面還可觀察到嚴(yán)重硬化的切屑邊緣在不斷地與刀具劃擦形成溝槽，而兩溝槽之間的刀尖磨損區(qū)則是由于刀具與化學(xué)活性很強(qiáng)的切屑底面在高溫高壓下導(dǎo)致的磨損嚴(yán)重區(qū)域。在圖4中可觀測(cè)到刀工接觸邊界的狹長(zhǎng)溝槽磨損以及兩溝槽之間的均勻磨損帶，溝槽磨損比均勻磨損帶更加嚴(yán)重。

圖5所示為刀具磨損的三維形貌，刃口的退化是由前刀面磨損與后刀面磨損所致，前刀面上兩溝槽之間的刀尖磨損區(qū)與后刀面上兩狹長(zhǎng)溝槽之間的均勻磨損帶使得刀具鈍圓輪廓不斷變化，導(dǎo)致金屬切削停滯區(qū)及切削層材料分離點(diǎn)改變，從而影響切削溫度、切削力。后刀面上狹長(zhǎng)的主溝槽和副溝槽與前刀面上對(duì)應(yīng)的溝槽不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致切削刃上形成兩個(gè)明顯缺口，由于刀具輪廓的復(fù)映，這必將增加已加工表面的粗糙度。

圖3 不同切削時(shí)間下前刀面磨損形貌

圖4 不同切削時(shí)間下后刀面磨損形貌

圖5 刀具磨損三維形貌

2.2 溝槽磨損

溝槽磨損是高塑性、高韌性類材料切削過程中典型磨損特征，溝槽磨損通常發(fā)生于刀工接觸邊界，主溝槽發(fā)生于主切削刃與未加工表面接觸邊界，副溝槽發(fā)生于副切削刃與已加工表面接觸邊界?？紤]到主溝槽磨損的位置，主溝槽磨損被認(rèn)為是由于切削接觸邊界處溫度和應(yīng)力梯度大、加工表面硬化層、毛刺等所致,副溝槽磨損被認(rèn)為是與已加工表面缺陷和塑性側(cè)向流動(dòng)有關(guān)。由圖6中可知：隨著切削時(shí)間增加，主、副溝槽磨損長(zhǎng)度不斷增加，主軸轉(zhuǎn)速200 r/min條件下，在切削80 min后，主、副溝槽磨損長(zhǎng)度分別為183.95 μm、308.44 μm;主軸轉(zhuǎn)速400 r/min條件下，在切削80 min后；主、副溝槽磨損長(zhǎng)度分別為166.18 μm、196.09 μm，轉(zhuǎn)速增加，主溝槽磨損長(zhǎng)度變化較小，副溝槽磨損長(zhǎng)度變化較大。

為更深入理解溝槽磨損和全方位定量表征其大小，還研究了溝槽磨損深度與溝槽磨損長(zhǎng)度之間的關(guān)系。從前刀面上可觀測(cè)到主、副切削刃上都呈現(xiàn)了兩個(gè)缺口，缺口深度即是后刀面溝槽磨損的深度。將不同切削時(shí)間下的溝槽磨損深度和主、副溝槽磨損長(zhǎng)度通過MATLAB進(jìn)行線性擬合，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。圖7(a)、圖7 (b)、圖8(a)、圖8(b)中擬合直線方程分別為

=4.65+39.58

=4.54+46.18

=7.58+41.72

=8.18+14.51

其中：為溝槽磨損長(zhǎng)度；為溝槽磨損深度。由圖8、9可知：溝槽磨損深度與溝槽磨損長(zhǎng)度基本呈直線正相關(guān)，溝槽磨損深度隨著溝槽磨損長(zhǎng)度增加而增加。從溝槽磨損深度與溝槽磨損長(zhǎng)度之間的擬合直線可知，低速和高速時(shí)主溝槽深度與長(zhǎng)度的擬合直線斜率和截距相差不多，即主軸轉(zhuǎn)速對(duì)主溝槽磨損影響較小，而低速和高速時(shí)副溝槽深度與副溝槽長(zhǎng)度的擬合直線斜率相差不大但截距差距很大，低速時(shí)副溝槽擬合直線截距大于高速時(shí)的截距，即主軸轉(zhuǎn)速會(huì)影響副溝槽磨損的大小。主軸轉(zhuǎn)速200、400 r/min時(shí)的側(cè)向流動(dòng)，分別如圖9和圖10所示。可知：低速時(shí)側(cè)向流動(dòng)高度約為6 μm，高速時(shí)側(cè)向流動(dòng)高度約為3 μm，低速時(shí)的側(cè)向流動(dòng)高度比高速時(shí)高。副切削刃與已加工表面接觸，副溝槽位于刀工接觸邊界，副溝槽的形成必然與側(cè)向流動(dòng)有關(guān)。因此，主軸轉(zhuǎn)速影響純鐵工件側(cè)向流動(dòng)程度，側(cè)向流動(dòng)又會(huì)影響副溝槽深度與長(zhǎng)度的擬合直線截距，側(cè)向流動(dòng)程度增加，直線截距增加，即副溝槽磨損長(zhǎng)度增加。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下主溝槽磨損、副溝槽磨損、平均后刀面磨損的變化規(guī)律

圖7 主溝槽磨損深度和主溝槽磨損長(zhǎng)度之間的關(guān)系

圖8 副溝槽深度與副溝槽長(zhǎng)度之間的關(guān)系

圖9 主軸轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)的側(cè)向流動(dòng)

圖10 主軸轉(zhuǎn)速400 r/min時(shí)的側(cè)向流動(dòng)

2.3 后刀面磨損

由圖6可知在切削初期后刀面磨損率大，隨著切削過程的進(jìn)行，后刀面磨損緩慢。相比于溝槽磨損長(zhǎng)度，后刀面磨損較小，故應(yīng)選用溝槽磨損長(zhǎng)度評(píng)價(jià)硬質(zhì)合金切削純鐵材料時(shí)的刀具壽命。圖11中顯示了刀具鈍圓輪廓隨切削時(shí)間的變化。可知：后刀面不斷磨損會(huì)導(dǎo)致刀具鈍圓輪廓改變，從而導(dǎo)致圓弧向前刀面移動(dòng)，金屬停滯區(qū)和切削層材料分離點(diǎn)也將改變；從后刀面流走的材料越多，后刀面與已加工表面摩擦越嚴(yán)重，故后刀面磨損越來越嚴(yán)重。

圖11 刀具鈍圓輪廓隨切削時(shí)間變化

2.4 刀具鈍圓輪廓

新刀具刃口鋒利、強(qiáng)度低，極易發(fā)生磨損。由圖11可知：刀尖隨切削時(shí)間增加而逐漸退化，切削20 min后的刀尖退化量與切削20～70 min間的刀尖退化量相差不多，這表明在切削初期刀尖磨損較大，而隨著切削過程進(jìn)行，刀尖緩慢發(fā)生磨損，并且刀尖圓弧向前刀面移動(dòng)；后刀面和前刀面逐漸磨損，尤其是后刀面的磨損更加明顯，從而導(dǎo)致刀尖沿刀具軸向退化。從后刀面磨損規(guī)律可知：在初期時(shí)，后刀面磨損率大，隨后磨損率變得平緩，同樣地，刀尖在初期磨損較大，之后刀尖緩慢退化，故刀尖退化與后刀面磨損變化規(guī)律相互對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論

(1)精密切削純鐵材料硬質(zhì)合金刀具的磨損特征有后刀面均勻磨損帶、主溝槽磨損、副溝槽磨損、刀尖磨損，溝槽磨損長(zhǎng)度相比于后刀面磨損更大，決定了硬質(zhì)合金刀具的壽命。

(2)溝槽磨損深度與溝槽磨損長(zhǎng)度基本呈線性正相關(guān)，主軸轉(zhuǎn)速升高，主溝槽磨損深度與主溝槽磨損長(zhǎng)度線性擬合直線的斜率和截距差不多，副溝槽磨損深度與副溝槽磨損長(zhǎng)度的擬合直線斜率相差不大而截距差距較大，這可能是側(cè)向流動(dòng)加劇所致。

(3)在切削初期，后刀面磨損率較大，在切削10 min之后，刀具后刀面緩慢磨損。

(4)后刀面磨損導(dǎo)致刀尖圓弧向前刀面移動(dòng)，刀尖隨切削時(shí)間增加而沿刀具軸向退化，刀尖退化與后刀面磨損變化規(guī)律相互對(duì)應(yīng)。