刀具前角對聚晶金剛石刀具磨損過程的影響*

王　奔，劉東璽，王明海，鄭耀輝，印文典

(沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽　110136)

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刀具前角對聚晶金剛石刀具磨損過程的影響*

王奔，劉東璽，王明海，鄭耀輝，印文典

(沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽110136)

摘要：為了研究刀具前角對聚晶金剛石刀具磨損過程的影響，采用兩種不同前角的聚晶金剛石刀具進行各向同性熱解石墨切削加工試驗，對刀具磨損過程、磨損機理和表面加工質量進行了分析對比研究。通過對試驗結果的研究分析表明：兩種不同前角的聚晶金剛石刀具磨損都主要發生在后刀面，切削刃都出現了崩刃現象。刀具磨損區域都出現了平行溝槽式的磨損形貌，但是出現的時間存在明顯差異。磨粒磨損是這兩種不同前角的聚晶金剛石刀具的主要磨損機理，前角為5°的聚晶金剛石的磨損機理還包括沖蝕磨損。與前角為5°的聚晶金剛石刀具相比，前角為-20°的聚晶金剛石刀具具有較好切削加工性能。

關鍵詞：各向同性熱解石墨；刀具前角；平行溝槽；磨粒磨損

0引言

作為一種新型高性能石墨材料，各向同性熱解石墨具有低密度，抗熱沖擊性好，熱膨脹系數低，良好的自潤滑性，低而穩定摩擦系數等一系列優點，在航空航天等領域得到了廣泛應用[1-4]。例如，俄羅斯在其新一代航空發動機渦輪軸間使用的高性能石墨密封環就是各向同性熱解石墨密封環[5]。但是，各向同性熱解石墨硬度高，切削過程中產生的切屑具有較高的磨蝕性，刀具磨損過快，加工質量較差[6]。

針對各向同性熱解石墨這一新型石墨材料，目前已有相關學者做了一些研究。賀曄紅[7]探討了制備各向同性熱解石墨工藝流程，對其微觀性能和理化性能進行了表征。聶鵬[8]等研究了各向同性熱解石墨的超精密車削加工機理，認為在臨界切削深度以下時各向同性熱解石墨材料可以實現塑性域超精密切削加工，并計算出臨界切削深度為335.63～1343.15nm。吳俊峰[9-10]等對大尺寸各向同性熱解石墨的制備工藝進行了探討，并對材料的內部缺陷進行了檢測分析，各向異性夾雜、氣孔、裂紋和各向同性夾雜是各向同性熱解石墨的主要組織缺陷。WangMH[2]等研究了聚晶金剛石刀具車削各向同性熱解石墨時的刀具磨損問題，其認為刀具磨損發生在后刀面和前刀面上，磨損形式為前刀面上的月牙洼磨損以及后刀面上的磨粒磨損和粘著磨損。

刀具前角是影響材料切削過程的一個重要變量，對切削過程中的切削力、切削溫度以及表面加工質量有比較大的影響[11-13]。各向同性熱解石墨作為一種新型石墨材料，其在微觀組織、物理性能等方面與傳統石墨材料有很大的不同。目前，針對各向同性熱解石墨切削加工問題的研究還很少。文章以聚晶金剛石刀具車削各向同性熱解石墨作為研究對象，分析刀具前角對車削加工過程中刀具磨損形貌、刀具磨損機理以及表面加工質量的影響。以期為各向同性熱解石墨切削加工問題更深一步的研究提供參考依據。

1切削試驗

1.1刀具和試件材料

試驗使用是上海舒伯哈特工具有限公司生產的聚晶金剛石刀具，前角為分別-20°和5°(分別稱為1號刀具和2號刀具)，后角為5°，刀尖圓弧半徑為2mm。1號聚晶金剛石刀具的整體形貌如圖1所示。試件材料為各向同性熱解石墨材料，基本性能參數如表1所示。

圖1　1號聚晶金剛石刀具整體形貌

密度g/cm3肖氏硬度抗壓強度MPa彈性模量GPa熱導率W/m﹒K顯微硬度MPa1.7811025020.050.0600

1.2試驗條件

試驗所使用的機床為沈陽機床廠生產的CAK4085nj數控車床，切削試驗以刀具前角為唯一變量，切削過程中保持其他切削參數不變。切削速度vc=100m/min，切削深度ap=0.06mm，進給量f=0.025mm/r。在車削試驗的過程中，采用基恩士VHX-2000型超景深三維顯微系統觀察刀具磨損區域的形貌，分析已加工表面的微觀形貌。

2結果與討論

2.1刀具磨損形貌

對于1號刀具，隨著切削距離的增加，刀具磨損區域形貌的變化過程如圖2所示。切削距離達到300m時，前刀面上磨損情況如圖2a所示，觀察不到明顯磨損跡象。后刀面磨損形貌如圖2b所示，磨損區域分為嚴重磨損的A區域與平行溝槽的B區域，溝槽的方向平行于切削方向。切削距離增加到2000m時，刀具后刀面磨損形貌如圖2c所示，后刀面上部分磨損區域逐漸被石墨切屑所覆蓋。切削距離達到4800m時，平行溝槽磨損區域開始逐漸變得模糊、消失，刀具切削刃出現連續的微崩刃，此時刀具的磨損形貌如圖2d、2e所示。

(a)前刀面(300m)　　　　　　　(b)后刀面(300m)

(c)后刀面(2000m)　　　　　　　(d)后刀面(4800m)

(e)切削刃(4800m)

(a)前刀面(300m)　　　(b)后刀面(300m)

(c)后刀面(2000m)　　　(d)后刀面(4800m)

(e)切削刃(4800m)

對于2號刀具，隨著切削距離的增加，刀具磨損區域形貌的變化過程如圖3所示。切削距離達到300m時，刀具后刀面的磨損形貌如圖3a所示，后刀面上出現了明顯的磨損跡象，切削刃出現崩刃現象。與1號刀具一樣，此時2號刀具前刀面上未發現明顯的磨損跡象，如圖3a所示。切削距離達到2000m時，刀具后刀面的磨損情況如圖3c所示，刀具崩刃現象進一步惡化，刀具磨損區域出現了兩條顯著較深的沖蝕溝槽。當切削距離達到4800m時，刀具后刀面的磨損情況如圖3d所示，磨損區域出現了平行溝槽式的磨損形貌，此時從前刀面方向來看刀具的磨損情況如圖3e所示，刀具切削刃出現了顯著的缺口破碎現象。

2.2刀具磨損機理

各向同性熱解石墨是一種高硬度材料，由碳氫化合物等經過化學氣相沉積工藝制備而成，其基本組成單元為高硬度的顆粒狀碳結構。各向同性熱解石墨的內部殘存有許多的組織缺陷，例如位錯簇團，空穴簇團，氣孔，裂紋，炭黑顆粒[9,14-15]。切削過程中隨著刀具的磨損，其切削刃的鋒銳度有所降低，球形顆粒狀碳結構開始以崩碎或整體脫落的形式脫離試件，形成顆粒狀切屑。這種切削模式會在已加工表面上形成不同大小和深度的凹坑，進而導致刀具和試件之間的接觸是不連續的。另外，各向同性熱解石墨材料內部的組織缺陷會進一步加劇切削過程的非連續性。

1號刀具的磨損機理主要是磨粒磨損。高硬度顆粒狀的石墨切屑和刀具上脫落的金剛石顆粒是主要的磨粒源，在切削過程中這些硬質磨粒進入刀具后刀面與試件之間的滑動摩擦副，造成刀具的磨粒磨損。2號刀具的磨損機理主要是磨粒磨損和沖蝕磨損，造成刀具產生沖蝕磨損的原因可能是當刀具前角為正前角時，刀具刀尖點區域與試件材料之間的接觸力增大。切削距離達到4800m時，刀具磨損區域出現的平行溝槽式磨損形貌，這也說明2號刀具的磨損機理也包括磨粒磨損。

另外，在切削過程中兩種刀具都出現不同程度的刀具崩刃現象。1號刀具切削刃呈現出的是連續的微崩刃，而2號刀具切削刃呈現出的是單一的崩刃，而且崩刃破碎還比較嚴重。由于切削過程的非連續性，引起切削力也呈現處波動性變化，進而導致刀具切削刃產生崩刃。另外，切削刃部位刃磨后的殘存應力也可能是導致刀具崩刃的原因。

2.3表面加工質量

切削距離為600m和1000m時，兩種不同前角的聚晶金剛石刀具的已加工表面的微觀形貌如圖4所示。

(a)600m(1號刀具)

(b)1000m(1號刀具)

(c)600m(2號刀具)

(d)1000m(2號刀具)

從圖4中可以看出，這兩種不同前角的聚晶金剛石刀具的加工表面都存在不同深度的殘余凹坑，這也說明了切削過程中各向同性熱解石墨材料以拉拔、崩碎等方式去除，產生顆粒狀的各向同性熱解石墨切屑。不同的是，2號刀具加工表面上的凹坑的深度和數量要比1號刀具加工表面上的更深、更多。造成這種現象的可能原因主要有兩個：一是對于刀具前角為負的聚晶金剛石刀具，在切削過程中對切削區域除了施加剪切力之外還有一定的壓應力作用[16]。二是1號刀具在切削過程中出現了各向同性熱解石墨切屑在其磨損區域粘附堆積現象，石墨切屑的堆積改變了刀具與石墨材料之間的接觸狀態，加工表面質量也得到一定程度的改善。

4結論

利用兩種前角不同的聚晶金剛石刀具車削各向同性熱解石墨材料試驗，對比分析了不同前角的聚晶金剛石刀具的磨損形貌演變過程、磨損機理以及表面加工質量。從中可以得出以下結論：

(1)切削過程中兩種不同前角的聚晶金剛石刀具都出現了平行溝槽式的磨損形貌以及切削刃崩刃現象。前角為-20°的聚晶金剛石刀具的磨損區域出現了切屑粘附堆積現象，其崩刃形式為連續的微崩刃，而前角為5°的聚晶金剛石刀具的崩刃形式為缺口破碎。

(2)磨粒磨損是造成這兩種不同前角的聚晶金剛石刀具磨損的主要磨損機理，前角為5°的聚晶金剛石刀具的磨損機理還包括沖蝕磨損。

(3)與前角為5°的聚晶金剛石刀具相比，前角為-20°的聚晶金剛石刀具具有較好的切削加工性能。

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(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0027-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.008

收稿日期：2015-09-08；修回日期：2015-09-21

*基金項目：國防基礎科研計劃支持(A35*****004)

作者簡介：王奔(1984—)男，山東濟寧人，沈陽航空航天大學講師，工學博士，研究方向為石墨材料的超精密加工、復合材料加工；通訊作者：劉東璽(1989—)，男，河南商丘人，沈陽航空航天大學碩士研究生，研究方向為精密與超精密加工技術，(E-mail)liudongxi1234@163.com。

中圖分類號：TH161；TG506

文獻標識碼：A

The Influence of Rake Angle on Polycrystalline Diamond Tool Wear Process

WANG Ben, LIU Dong-xi, WANG Ming-hai, ZHENG Yao-hui, YIN Wen-dian

(KeyLaboratoryofFundamentalScienceforNationalDefenseofAeronauticalDigitalManufacturingProcess,ShenyangAerospaceUniversity,Shenyang110136,China)

Abstract：In order to study the influence of rake angle on polycrystalline diamond tool wear process, turning of isotropic pyrolytic graphite tests were conducted with different rake angle polycrystalline diamond tools, the wear process of tool, wear mechanism of tool and surface machining quality were studied comparatively. Based on the experimental results and analysis: the wear of two kinds of polycrystalline diamond tool mainly occurred in the flank face, and cutting edge emerged tipping phenomenon. The morphology of tool wear area had both been appeared in the parallel grooves, but the time was obviously different. The main wear mechanism of polycrystalline diamond tool was abrasive wear, the wear mechanism of polycrystalline diamond tool with 5° rake angle was also contain erosive wear. Compared with polycrystalline diamond tool with 5° rake angle, polycrystalline diamond tool with -20° rake angle has a better processing performance.

Key words：isotropic pyrolytic graphite; rake angle; parallel grooves; abrasive wear