硬質(zhì)合金立銑刀對(duì)316L不銹鋼的銑削加工研究

黃 帥

(南昌硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,江西省南昌 330013)

316L是含鉬不銹鋼種，標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為022Cr17Ni12Mo2，由于鋼中含鉬，316L不銹鋼總的性能優(yōu)于310和304不銹鋼，具有廣泛的用途。316L不銹鋼材料因表面加工硬化嚴(yán)重、切削力大、切削溫度高、切屑不易折斷、刀具磨損快、工件線(xiàn)膨脹系數(shù)高等加工特點(diǎn)造成了它的可切削加工性較差，與碳鋼材料相比，其可加工性下降將近50%[1]。本文選用了國(guó)內(nèi)A公司生產(chǎn)的不銹鋼加工專(zhuān)用硬質(zhì)合金立銑刀，安排不同材料不同厚度的涂層，用涂層后的硬質(zhì)合金立銑刀對(duì)316L不銹鋼材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，測(cè)定了刀具后刀面的磨損程度，觀察了刀具后刀面的磨損形貌，同時(shí)分析了刀具的磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

（1）性能檢測(cè)。刀具參數(shù)檢測(cè)。試驗(yàn)刀具外形如圖1所示，涂層參數(shù)見(jiàn)表1，涂層厚度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖1 刀具參數(shù)圖

表1 刀具涂層參數(shù)表

表2 涂層厚度檢測(cè)表

（2）基體材料檢測(cè)。對(duì)基體硬質(zhì)合金材料性能進(jìn)行測(cè)定，硬度為1780 HV30，巴氏韌性值為12.5MPa.m1/2，抗彎強(qiáng)度為4500N/mm2。取材料斷口直接在Quanta200掃描電子顯微鏡下觀察微觀組織形貌，將硬質(zhì)合金材料制備的金相試樣放入10%氫氧化鉀和 10%赤血鹽同體積混合液溶液中腐蝕1分鐘后，然后采用Quanta200掃描電子顯微鏡觀察腐蝕后硬質(zhì)合金材料的微觀組織形貌。

2 316L不銹鋼材料的銑削

本次測(cè)試是在麗馳DM-800數(shù)控加工中心上實(shí)現(xiàn)的，被加工工件為200＊200＊20mm的316L不銹鋼板材，切削過(guò)程為側(cè)面銑削，銑削方式為順銑，采用水性切削液進(jìn)行冷卻，刀具夾頭為BT40彈性?shī)A頭，刀具安裝后周刃跳動(dòng)不大于3μm，切深3mm，切寬0.05mm，切削速度100m/min。

刀具切削316L不銹鋼達(dá)到20小時(shí)后，連刀柄一起取下來(lái)用影像儀測(cè)量刀具后刀面的磨損值，然后繼續(xù)進(jìn)行切削，每隔2小時(shí)取下來(lái)進(jìn)行一次檢測(cè)，直到后刀面磨損量達(dá)到0.2mm為止，最后對(duì)達(dá)到磨損量的刀具采用Quanta200掃描電子顯微鏡觀察分析后刀面的磨損形貌。

3 結(jié)果與討論

（1）硬質(zhì)合金材料的性能。材料具有高強(qiáng)度高硬度以及良好的韌性，金相中WC晶粒尺寸大小相對(duì)均勻，單個(gè)晶粒尺寸約為0.4μm，無(wú)明顯的粗大晶粒，晶粒多數(shù)呈四邊形和不規(guī)則多邊形，材料致密性好。

（2）刀具后刀面的磨損曲線(xiàn)。本次試驗(yàn)以硬質(zhì)合金立銑刀的后刀面最大磨損量達(dá)到0.20mm作為失效標(biāo)準(zhǔn)，從20小時(shí)開(kāi)始，每隔2小時(shí)進(jìn)行一次測(cè)量，并通過(guò)影像儀測(cè)量刀具后刀面的磨損數(shù)值，刀具磨損曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

從磨損曲線(xiàn)可以看出，C涂層的效果最好，其次為D涂層。AlTiN涂層在316L不銹鋼切削中表現(xiàn)較TiAlN更好，一定程度下，越厚的涂層其使用壽命越高。

圖2 后刀面磨損曲線(xiàn)

經(jīng)分析，C和D涂層材料主要成分均為AlTiN，該涂層薄膜中，Al原子置換TiN中的一部分Ti原子后使晶格發(fā)生畸變。晶格畸變度大的涂層，一方面晶界增多，另一方面位錯(cuò)多且不易滑動(dòng)，從而導(dǎo)致涂層硬度的提高。Al元素能大大降低涂層在高速切削時(shí)的氧化磨損，當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ佑|區(qū)溫度超過(guò)約749℃時(shí)，涂層的外表面轉(zhuǎn)化為氧化鋁，可以阻止進(jìn)一步氧化，并能在刀具和工件接觸區(qū)產(chǎn)生高溫時(shí)起到保護(hù)刀具的作用，從而延長(zhǎng)刀具的使用壽命。隨著AlTiN涂層中Al含量的變化，硬度值也隨之變化。純TiN的硬度為2000HV，隨著Al含量的增加，Al：Ti=6：4時(shí)，AlTiN的硬度值增加到最高值3200HV。因此，AlTiN涂層具有極高的微硬度，熱硬度。適合于具有高熱應(yīng)力的工具涂層，特別是在用于加工高硬度以及奧式體不銹鋼和雙相不銹鋼的精加工與粗加工，并具備良好的耐熱沖擊性。而TiAlN涂層中由于Al元素含量略少，故其整體切削壽命較AlTiN涂層刀具略差。

刀具產(chǎn)生磨損的原因包括：磨粒磨損、粘著磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損和相變磨損等。本次316L不銹鋼切削初期以磨粒磨損為主，但隨著切削時(shí)間的增加，切削溫度上升，粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損所占比例越來(lái)越大，逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，成為磨損的主要原因。

在連續(xù)切削316L不銹鋼過(guò)程中，由于較高的切削溫度以及強(qiáng)烈的摩擦作用，刀具前刀面與切屑的接觸面之間產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象，在刀具的前刀面上形成積屑瘤；在高溫、高壓及劇烈的摩擦作用下，由于刀具與工件之間存在分子間吸附引力的作用，接觸表面產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，而刀具與工件之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，粘結(jié)點(diǎn)逐漸被工件帶走，導(dǎo)致刀具的后刀面被撕裂。由于粘結(jié)點(diǎn)的不斷形成、被帶走，刀具后刀面產(chǎn)生了粘結(jié)磨損。在切削316L不銹鋼過(guò)程中，磨粒磨損和粘著磨損嚴(yán)重。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)的硬質(zhì)合金刀具WC晶粒尺寸細(xì)小均勻，材料硬度高，韌性好，配合AlTiN涂層適合于加工316L不銹鋼。AlTiN涂層較TiAlN涂層更適合于316L不銹鋼的銑削加工。316L不銹鋼切削過(guò)程中，切削前期主要為磨粒磨損，隨著切削溫度上升，后期主要以粘著磨損為主。