干式銑削300M超高強度鋼刀具磨損試驗研究

張慧萍　劉國梁　薛富國　張校雷

摘 要：針對300M超高強度鋼在加工過程中因刀具磨損造成的刀具快速失效問題，采用硬質合金涂層刀具進行了300M鋼干式銑削試驗研究;通過極差分析法研究了銑削參數對刀具磨損的影響規律;以銑削速度為單一變量進行單因素試驗，對刀具的磨損形式進行了分析，最后通過能譜分析揭示了刀具的磨損機理。試驗結果表明：銑削速度對刀具磨損的影響最大，進給速度次之，銑削寬度最小。銑削速度越高，刀具磨損、崩刃現象越嚴重。刀具在磨損過程中依次經過涂層脫落，硬質合金基體材料磨損和崩刃3個階段。刀具前刀面的月牙洼磨損隨銑削速度和銑削長度的增加而增大。刀具的磨損機理為磨粒磨損、粘結磨損和氧化磨損。

關鍵詞：300M超高強度鋼;干式銑削;刀具磨損;銑削速度

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.009

中圖分類號： TG506.1

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）03-0054-05

Abstract：Aiming at the problem of the rapid failure of 300M ultrahighstrength steel due to tool wear in the process of machining， the test of 300M steel in dry milling with cemented carbide coated tools was carried out. The influence law of milling parameters on tool wear was studied by range analysis. The single factor experiment was carried out with the milling speed as the only variable， and the wear forms of cutting tools were analyzed and the wear mechanism of the tool was revealed by energy spectrum analysis. The results show that the effect of milling speed on tools wear is maximal， and the effect of feed speed is smaller than milling speed and the effect of milling width is minimal. The higher the milling speed， the more the cutting tool wear and collapse. During the wear process， the tool passes through three stages， namely the coating shedding， the carbide matrix material wear and cutting edge collapse. The crater wear of tool rake face increases with the increase of milling speed and milling length. The mechanism of tool wear is abrasive wear， adhesive wear and oxidative wear.

Keywords：300M ultrahighstrength steel; dry milling; tool wear; milling speed

0 引 言

300M超高強度鋼因其獨有的優良特性和綜合性能，被用于飛機起落架、活塞桿等超高強度場合[1-2]。但300M 鋼屬于低合金超高強度鋼，是一種難加工材料，其切削加工性能極差[3]。傳統加工超高強度鋼時，通常采用磨削和切削相結合的方式，這樣就使加工過程變得復雜，裝夾耗時長，加工效率變低[4]。從其化學成分組成上來看由于含有一些元素尤其是高含量的元素Ni，雖然提高了材料的硬度和強度但同時也降低了材料的導熱性能[5]，因此切削該材料時容易產生加工硬化。通常在銑削加工時，銑削力和銑削溫度較高，導致刀具磨損破損現象嚴重[6]，甚至在銑削加工初期就出現刀具磨損和破損的現象，進而失去銑削能力。所以研究300M鋼的刀具磨損，解決加工制造時遇到的難題具有重大的意義[7]。

近年來，國內外的學者對300M超高強度鋼及刀具磨損方面進行了系統研究。國內方面，山東大學的劉維民等[8]對300M超高強度鋼進行了干切削試驗，研究表明陶瓷刀具的磨損機理主要為粘結磨損、磨粒磨損和氧化磨損。山東理工大學的房友飛選用不同涂層的刀具進行了300M鋼的高速切削試驗，利用工具顯微鏡和電子掃描顯微鏡對刀具磨損狀態進行了分析，揭示了刀具磨損機理[9]。北京航空航天大學的張保國通過加工300M鋼，分析刀具磨損原因并總結出了合理的刀具磨損測量方法[10]。西安科技大學的王東通過陶瓷刀具高速車削300M的試驗發現，切削300M鋼時的切削速度不宜超過400m/min，根據刀具的磨損狀態分析得出磨損機理主要為磨粒磨損和粘結磨損[11]。浙江海洋船舶學院的袁躍峰對300M鋼進行了刀具磨損試驗研究，研究表明硬質合金刀具加工300M鋼時不宜采用過大的切削速度和切削深度[12]。

國外方面，美國猶他大學的P I Varela研究了刀具幾何參數和切削條件對硬車削（起落架的最后一個制造工藝）300M鋼的影響，并總結了規律[13]。加拿大的Perez R.G.V學者采用有限元分析和切削試驗相結合的手段研究300M鋼，對刀具磨損進行了預測[14]。英國肯塔基大學的P. W. Marksberry等采用金屬加工液進行了切削試驗，通過擴展的泰勒公式建立了刀具磨損模型，發現模型得到的磨損量與實際值的誤差在10%以內[15]。澳大利亞科廷大學的A. Pramanik等人發現鈦合金在加工過程中刀具磨損主要經過磨損，擴散-溶解，熱裂紋和塑性變形幾個過程[16]。西班牙蒙特拉貢大學的P. J. Arrazola等人對切削鈦合金Ti6Al4V和 Ti5553時的刀具磨損機理進行了深入研究[17]。

銑削加工時，刀具材料的選取對刀具的使用壽命、生產效率和制造成本有著明顯的影響，其原因在于生產制造中刀具通常會承受摩擦、高溫、高壓、振動和沖擊等作用，所以要著重考慮刀具是否具有足夠的韌性和強度[18-19]。

現階段在切削300M鋼的刀具磨損方向上研究較少，所以本文從300M鋼的材料特性出發，通過300M鋼的干式銑削試驗，研究了銑削參數對刀具磨損的影響規律，分析了刀具的磨損機理，在實際加工300M鋼時切削參數的選擇方面具有一些參考價值。

1 試驗設計與方案

1.1 工件材料及刀具

1）工件材料：加工材料為300M鋼，其化學成分如表1所示[20]。

2）刀具材料及參數：試驗刀具為山特公司生產的R290可轉位銑刀盤，型號為R290080Q2712H，刀盤直徑為80mm，最大切深是10.7mm，如圖1（a）所示。刀片型號為SANDVIK R29012T308MPL，屬于硬質合金涂層刀片，涂層材料為TiCN+Al2O3+TiN復合涂層，如圖1（b）所示，這種刀片的硬度很高，抗磨粒磨損能力也很強。刀片的參數如下：刀片高度為13.29mm，刀片厚度為3.97mm，后角為18°，刀尖圓弧半徑為0.8mm。

1.2 銑削試驗方案

1.2.1 正交試驗方案

本文以銑削長度170mm為單位進行刀片磨損試驗，銑削方式采用單齒順銑，每進行一次銑削試驗就取下并保留刀片，在超景深顯微鏡下觀察并測量刀具后刀面磨損量VB值，為了減少試驗組數同時保證試驗的準確性，選擇正交試驗法完成方案設計，以銑削速度vc、銑削深度ap、進給速度vf及銑削寬度ae為銑削參數進行試驗。正交試驗參數如表2所示。

1.2.2 單因素試驗方案

在正交試驗的基礎上，固定銑削參數：銑削深度ap=0.4mm，每齒進給量fz=0.15mm/z，銑削寬度ae=24mm，以銑削速度為單一變量進行單因素試驗，每次試驗銑削一定長度后取下刀片，通過超景深顯微鏡拍照并測量后刀面磨損量VB值，利用掃描電鏡（SEM）對已磨損刀片的元素含量進行分析，揭示刀具磨損機理。

2 試驗結果與分析

2.1 銑削參數對刀具磨損的影響

通過干式銑削300M鋼得到的后刀面磨損量VB值及各參數的極差值如表3所示。

根據每個因素4水平的綜合平均值求出各自的極差值R，由表可知Rvc>Rvf>Rap>Rae，因此可以確定銑削速度是刀具磨損最主要的影響因素，進給速度次之，銑削寬度最小，所以在加工時應著重考慮銑削速度的取值。

2.2 銑削速度對刀具磨損的影響

以銑削速度vc為單一變量的試驗結果如圖2所示，銑削長度越長，刀具磨損越嚴重。當vc介于75m/min-150m/min時，刀具磨損速度較為緩慢，初期磨損差別不明顯，刀具壽命也較長。

從圖2的磨損曲線可以看出當銑削速度為190m/min時，刀具的正常磨損階段變短，在銑削長度L=1380mm后進入劇烈磨損階段，最終在L=2040mm時發生崩刃，刀片后刀面磨損狀態如圖3（a）所示。

隨著銑削速度的升高，刀具的初期和正常磨損階段急劇縮短，刀具磨損加快，刀具在銑削速度為240m/min，銑削長度L=1360mm時發生崩刃，且后刀面磨損嚴重，磨損狀態如圖3（b）所示。

當銑削速度高于300M/min時刀具直接進入劇烈磨損階段，如圖3（c）所示，在銑削長度僅僅為340mm時后刀面磨損值就超過磨鈍標準并發生崩刃，其原因為銑削速度過高，刀具承受的載荷過大且刀具、工件及切屑頻繁接觸摩擦，產生大量的切削熱聚集在刀刃處無法及時傳遞，從而降低了刀具的疲勞強度。

2.3 刀具前刀面磨損分析

當速度vc=75m/min 、銑削長度L=170mm時，刀具前刀面涂層剝落，并出現程度較輕的月牙洼磨損，如圖4（a）所示。銑削加工時刀具的切削刃在工件表面上不斷的切入切出，此時刀具就會承受周期極短的冷熱交替的過程，刀具材料在交變熱應力和接觸應力的共同作用下，在其內部產生疲勞裂紋源，摩擦一定時間后裂紋源向外快速延伸，最終導致涂層材料的剝落。此后刀具失去了涂層的保護，刀具基體和切屑直接接觸，溫度急劇升高，化學活性提高，硬質合金材料中的粘結相Co元素迅速離散，刀體中的WC顆粒就會在摩擦作用下不斷流出刀體，造成刀具基體磨損，從而降低了刀具的強度。根據圖4（b）可知，相同速度下，月牙洼寬度和深度隨銑削長度的增加而逐漸增大。當銑削速度過大，銑削長度過長，硬質合金刀具的前刀面連接切削刃的區域同切削刃就會出現崩刃現象，如圖4（c）所示，這是由于銑削加工屬于斷續加工，而且300M鋼硬度較高，導熱性能差，所以會出現崩刃的現象。

2.4 刀具后刀面磨損分析

高速銑削300M鋼時，刀具的后刀面磨損區域主要集中在切削刃附近，造成磨損的主要原因是由于后刀面與被加工工件的已加工表面之間的摩擦，隨著銑削時間的增加，刀具磨損也逐漸增大，所以通常將后刀面磨損值作為衡量刀具壽命的參考。圖5為刀具在銑削長度為170mm后刀面磨損形貌，可以看出涂層均已脫落，根據測得的磨損平均值可知：隨著銑削速度升高，后刀面磨損值逐漸增加，當銑削速度為300m/min時，刀具材料發生破損，其原因為300M鋼經淬火后，馬氏體硬度高、剪應力大，高速銑削時刀尖應力集中，切屑與前刀面接觸摩擦，在刀尖處聚集大量的切削熱且無法向外擴散，當切削力和切削熱超過刀體的承受范圍時，就容易造成刀具失效。

在圖5中可以看出，磨損表面呈現密集且均勻的條紋狀，這是因為刀具和工件不斷的摩擦使刀具表面溫度升高，刀具硬度降低，工件材料中存在比刀具基體硬得多的硬質點， 這些硬質點在刀具表面上連續的摩擦并劃傷刀具表面，最終造成磨粒磨損。

采用掃描電子顯微鏡對刀具后刀面磨損形貌進行觀察，并在A點處進行能譜分析（EDS），得到的元素分布狀態如圖6所示。

在EDS的元素分布可以看見刀具表面存在少量的Cr、Ni、Mn等元素，說明刀具發生了粘結現象，粘結物會隨著銑削時間的增加而逐漸增大，最終粘結層在機械沖擊作用下從刀具表面連同刀具材料一起脫落下來，造成刀具的粘結磨損。同時，也發現了大量的O元素，而刀具基體材料中不存在O元素，說明空氣中的氧與刀具材料中的Co、WC產生了氧化反應，形成了強度和硬度較低的氧化膜，降低了刀具材料的性能。氧化反應一般在 700℃～800℃時極易發生，其磨損速度主要取決于氧化膜的粘附強度，強度越低磨損越快，這類磨損易發生于邊界上。

3 結 論

通過硬質合金涂層刀具對300M干式銑削試驗的研究可以得出以下結論：

1）銑削速度是影響刀具磨損最主要的因素，進給速度次之，銑削寬度最小。

2）銑削速度越高，銑削長度越長，刀具磨損越嚴重，尤其當銑削速度高于300m/min時刀具直接發生劇烈磨損，發生大面積崩刃現象。

3）刀具的磨損過程分為3個階段：涂層脫落，基體磨損和切削刃崩刃。

4）刀具前刀面表現為月牙洼磨損，月牙洼區域隨銑削速度和銑削長度的增加而逐漸增大。

5）刀具的磨損機理為磨粒磨損、粘結磨損和氧化磨損。

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（編輯：溫澤宇）