可加工氟金云母陶瓷車削中刀具磨損實驗研究

李　亮，王　華，萬學文，譚福慧，馬廉潔，2

（1.東北大學 秦皇島分校控制工程學院，秦皇島 066004；2.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819）

加工與制造

可加工氟金云母陶瓷車削中刀具磨損實驗研究

李亮1，王華1，萬學文1，譚福慧1，馬廉潔1，2

（1.東北大學 秦皇島分校控制工程學院，秦皇島 066004；2.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819）

通過氟金云母可加工陶瓷車削實驗，研究了硬質合金刀具磨損。分析了主軸轉速、進給量和切削深度對刀具磨損率的影響。結果表明，主軸轉速n=500r/min是刀具磨損率的極小值點，進給速度f=0.07～0.12mm/r是陶瓷加工較好的進給范圍，切削深度ap=0.12mm是陶瓷加工時合適的切削深度；刀具磨損主要發生在刀尖和主后刀面上。車削可加工陶瓷時，在保證加工精度和效率的前提下，選擇適當的切削參數，可降低刀具磨損率，延長刀具使用壽命。

刀具磨損；材料去除；車削；氟金云母陶瓷

0　引言

可加工陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕等優良性能，在軍工、航空航天、醫療設備等領域獲得了廣泛應用。然而陶瓷的硬脆性決定了其與金屬切削加工過程存在顯著差異，其中刀具的快速磨損、突然失效都直接影響工件加工質量。因此，刀具磨損問題的研究，成為可加工陶瓷材料工程應用中亟待解決的課題之一。Achard最早提出粘結磨損理論，認為磨損量與摩擦行程、法向載荷成正比，與較軟材料的硬度成反比［1］。Liao等通過硬質合金刀具切削高溫合金實驗分析了刀具擴散磨損機理［2］；Jawaida通過無涂層硬質合金刀具車削Ti-6246實驗研究刀具磨損特征，結果表明，高速切削時刀具壽命主要取決于后刀面磨損［3］；馬廉潔等通過對ZrO2/CePO4可加工陶瓷鉆削實驗中刀具磨損的研究，分析了刀具磨損形貌和影響刀具磨損的因素［4］。Costes通過CBN刀具切削Inconel718實驗，研究了刀具磨損機理，通過SEM分析得出結論刀具失效的主要原因是粘結、擴散和磨料磨損［5］。李有生等采用硬質合金刀具、硬質合金涂層刀具和CBN刀具在相同切削參數下進行鈦合金（Ti-6Al-4V）的高速車削實驗。實驗表明，三種刀具的前刀面磨損形式均不是常規月牙洼磨損，而是切削刃處磨損較重的斜面磨損，都包含磨粒磨損、粘結磨損和擴散磨損［6］。

由此可見，可加工陶瓷車削加工中的刀具磨損率已經成為國內外相關學者的研究熱點。本文通過可加工陶瓷車削實驗，研究了刀具磨具磨損形態及其影響因素。

1　實驗

以可加工氟金云母陶瓷為實驗材料，其密度2.56g /cm3，熱導率2.1w/（m.k），彎曲強度108MPa，維氏硬度（830～920）HV。

無冷卻條件下，在CAK5085D型數控車床上開展氟金云母陶瓷車削實驗，如圖1所示。采用YG6硬質合金刀具，刀具經超聲波清洗器清洗后，利用激光共聚焦顯微鏡（如圖2所示）對刀具前刀面磨損寬度（圖3、圖4分別為硬質合金刀具磨損前后形貌）磨損狀況進行測量。采用電鏡觀察刀具磨損形貌分析其主要磨損形式。

圖1　數控車床

圖2　激光共聚焦顯微鏡

圖3　刀具磨損前

圖4　刀具磨損后

刀具磨損率是刀具磨損寬度與材料去除量之間的比值作為刀具磨損率。為研究主軸轉速、進給量和切削深度對刀具磨損率的影響，設計單因素實驗條件，如表1所示。

表1　氟金云母可加工陶瓷簡單單因素實驗條件

2　結果與討論

2.1主軸轉速對刀具磨損率的影響

主軸轉速較小時，切削作用主要集中在刀尖處，其刀刃刃口比較鋒利，且切削時間較長，因此刀具磨損率較高。隨著主軸轉速增大，磨損集中在主切削刃和刀尖處，刃口厚度增加，強度增大，抗磨能力增強，切削時間變短，因此刀具磨損率減小。當主軸轉速n=500r/min時，是刀具磨損率的極小值點，此時磨損率相對較低，主軸轉速比較合理。隨著主軸轉速繼續增大，切削力增大，材料對刀具的反作用增強，抗磨能力減弱，主切削刃和刀尖磨損嚴重，刀具磨損率增大。隨著主軸轉速的進一步增大，機床不穩定，切削力增大且不穩定，切削溫度增高，使陶瓷材料表面融化；相同切削路徑的情況下，切削時間變短，因此磨損率降低。

結果表明，主軸轉速n=500r/min是刀具磨損率的極小值點，在保證加工精度和效率的前提下，刀具磨損率相對較小。當主軸轉速大于n=600r/min時，切削過程發生異常，工件開始晃動，切削產生噪聲，加工質量難以保證，此時刀具磨損主要集中在主切削刃。

2.2進給量對刀具磨損率的影響

圖6為刀具磨損率隨進給量變化的關系曲線，隨著進給量的增大，刀具磨損率經歷了三個過程。當進給量較小時，刀具與工件的摩擦力較小，二者之間的相互作用力較弱，因此磨損率較小。隨著進給量的增大，摩擦力增大，相互作用力增強，磨損開始加劇，刀具磨損率增大，如圖6中的①過程。隨著進給量的繼續增大，刀具與工件的相互作用增強。相同的切削路徑的情況下，磨損時間變短，磨損率開始緩慢減小，如圖6中的②過程。隨著進給量的進一步增大，切削力變大，刀具與工件相互作用繼續增強，對主切削刃的磨損開始加劇。刀具的磨損率持續增大，如圖6中的③過程。

圖6　進給量對刀具磨損率的影響

當f=0.07～0.12mm/r時（圖6中②過程），刀具磨損率較低且磨損過程穩定，加工效率和精度較高，是陶瓷加工較好的進給范圍。

2.3切削深度對刀具磨損率的影響

圖7　切削深度對刀具磨損率的影響

由圖7可看出，相對于主軸轉速和進給量，切削深度對刀具磨損率的影響較大。

當切削深度較小時，刀具與工件主要接觸部位在刃部尖端與刀尖處，接觸面積較小，而刃部尖端和刀尖較薄，強度較低，抗磨損能力弱。切削時，磨損主要發生在這兩處，所以刀具磨損率較高。隨著切削深度的增大，接觸面積變大，刃部和刀尖的厚度增加，強度較高，抗磨能力增強，所以刀具磨損率隨著切削深度的增加而減小。當切削深度超過磨損率最小的臨界值時，加工材料與刀具的接觸面積進一步大，其對刀具的反作用增強，而刀具的強度增長變緩，抗磨損能力減弱，因此刀具的磨損率開始變大。隨著切削深度的進一步增加，主切削刃與加工材料的接觸長度增大，該處強度較高，抗磨損能力強，為刀尖分擔部分磨損，在相同材料去除量的情況下，刀具磨損率降低。

實驗過程中，當切削深度較大時，刀具與工件之間發出噪聲，并且機床產生振動，影響材料加工質量。ap=0.12mm是陶瓷加工時合適的切削深度。

2.4刀具磨損形貌

硬質合金刀具車削可加工氟金云母陶瓷，利用電鏡觀察車削后刀具磨損形貌，進而分析刀具磨損主要形式。圖8為刀具磨損形貌的SEM照片。

圖8　刀具磨損形貌

如圖8所示，刀具磨損主要發生在刀尖處和后刀面。刀具的磨損發生在三處，即主切削刃磨損，刀尖磨損和副切削刃磨損。其中主切削刃磨損最為嚴重，其首先與未加工材料表面接觸，是影響刀具磨損和材料加工質量的主要部位。切削過程中，首先主切削刃出現磨損，然后沿著主切削刃，磨損延展至刀尖和副切削刃，形成一個半橢圓形的磨損平面。圖8中，方框A主切削刃出現洼狀區域。把圖A框型區域放大后如圖8（a）所示， 主切削刃與磨損面之間處出現了不規則凹陷。方框B處，副切削刃與磨損面之間產生小的缺口，是崩刃現象，如圖8（b）所示。后刀面出現了一條明顯的磨損帶，如圖8箭頭C所示。

3　結論

1）主軸轉速n=500r/min是刀具磨損率的極小值點，在保證加工精度和效率的前提下，刀具磨損率相對較小。進給速度f=0.08～0.12mm/r時是陶瓷加工較好的進給范圍。切削深度ap=0.12mm是陶瓷加工時合適的切削深度。

2）切削深度相對于主軸轉速和進給量對刀具的磨損率影響較大，刀具磨損率極大值為6.2μ m.cm-3。

3）硬質合金刀具車削可加工氟金云母陶瓷，刀具磨損主要發生在刀尖和后刀面。

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Experimental study on the tool wear in turning machinable fluorophlogopite ceramics

LI Liang1，WANG Hua1，WAN Xue-wen1，TAN Fu-hui1，MA Lian-jie1，2

TG52；TH117

A

1009-0134（2016）09-0075-04

2016-05-18

國家自然科學基金資助項目（51275083）

李亮（1984 -），男，實驗師，碩士，研究方向為控制工程。