車削氧化鋯工程陶瓷中刀具幾何參數對刀具磨損的影響

左宇辰, 馬廉潔,*, 付海玲, 周云光, 譚雁清

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

氧化鋯工程陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及良好的生物相容性，已廣泛應用于國防軍工、航空航天、制造業和生物醫學等領域[1-2]。通常情況下，燒結后的工程陶瓷需要經過機械加工才能滿足精密零件的尺寸精度[3]。然而，氧化鋯陶瓷作為典型的高硬脆材料，存在加工效率低、刀具快速磨損、加工質量不理想等突出問題[4]。因此，研究切削中刀具磨損形式，確定刀具幾何參數對磨損的影響，對控制加工表面質量、提高加工效率、合理優化刀具幾何參數以及提高刀具利用率等具有重要意義[5-8]。

Silva等[9]研究了航空材料車削時，刀具主要磨損形式為黏著磨損，并發現冷卻液壓力的增加可延長刀具的使用壽命；李亮等[10]研究了氟金云母陶瓷車削時，切削用量對刀具磨損率的影響，并提出了較合適的加工參數；岳彩旭等[11]通過建立鎳基高溫合金切削加工仿真模型，研究了后刀面磨損量對切削力及切削溫度的影響規律。

目前，關于刀具磨損的研究主要集中在磨損形式、切削用量以及加工工藝等方面，而有關刀具幾何參數對刀具磨損影響的研究較少。為此，分析YG型硬質合金刀具車削氧化鋯陶瓷時刀具的主要磨損形式，研究刀具的前角、后角和刀尖圓弧半徑對刀具磨損量的影響規律，對車削硬脆材料時選擇合適的刀具幾何參數具有重要的指導意義。

1 試驗方法

工件直徑為22 mm的氧化鋯棒料，采用DMWG320T6型線切割機床將YG6硬質合金刀具加工出不同的幾何參數。在CAK5085D型數控車床上進行干式車削實驗，刀具幾何參數的實驗條件如表1所示，相同的實驗條件重復2次。工件轉速為800 r/min，進給速度為0.06 mm/r，切削深度為0.03 mm，切削長度為20 mm。刀具經超聲波清洗器清洗后，用OLS4100型3D激光共聚焦顯微測試系統觀察刀具的磨損形貌并測量其體積磨損量Vtip，如圖1所示。

表1 車削氧化鋯陶瓷實驗參數Table 1 Experiment parameters in turning zirconia ceramic

圖1 刀具體積磨損Vtip模型Fig.1 Model of tool volume wear Vtip

2 試驗結果及討論

2.1 刀具的磨損形貌

如圖2所示，在氧化鋯陶瓷車削加工中，YG刀具的磨損形式主要是黏著磨損，并伴有部分磨粒磨損。

車削后的刀片表面黏附著許多細小的白色陶瓷顆粒，經過超聲波清洗后，如圖2(a)所示，用三維形貌儀測量后發現許多麻點狀的微小凹坑，說明YG刀具車削氧化鋯陶瓷時黏著效應顯著，這是由于刀具與切削層之間存在強烈的擠壓和摩擦，在高溫高壓的作用下，隨著刀具和工件相對運動，刀具與工件相接觸的材料發生形變后遷移造成了黏著磨損。

如圖2(b)所示，后刀面磨損面邊緣區域用三維形貌儀測量后發現一條條互相平行的犁溝，這是由于陶瓷表面的高硬度晶粒對刀具材料的反切削作用產生的磨粒磨損。

圖2 刀具磨損形貌圖Fig.2 Tool wear morphology

2.2 前角對刀具體積磨損量的影響

圖3所示為刀具體積磨損量與前角的關系曲線。刀具前角在-24°～-9°區域內，刀具體積磨損量從2.81×108μm3緩慢減小到2.1×108μm3；當前角在-9°～1°區域內，刀具體積磨損量快速增加到4.31×108μm3；當前角在1°～11°區域內，刀具體積磨損量急劇增加到9.8×108μm3。

圖4為前角分別為-9°、1°、11°時的刀具磨損形貌圖。當刀具前角為-9°時，刀具的后刀面只發生了輕微的磨損，切削刃未受到較大的影響，依然可以進行有效的切削加工。當刀具前角為1°時，刀具的后刀面磨損加劇，磨損寬度L和磨損深度h相較于前角為-9°時，均有較大的增幅，其切削刃出現了微崩的現象，切削過程中刀具偶爾出現了顫振，此時的刀具屬于中度磨損。當刀具前角為11°時，刀具的后刀面磨損劇烈，雖然磨損寬度L相較于前角為-9°時變化不是很大，但是磨損深度h有較大增幅，刀具的切削刃發生嚴重的塑性變形，已經無法繼續切削加工，切削過程中刀具發生持續的顫振，刀尖部分變紅并伴隨著火花，此時刀具屬于失效狀態。

圖4 不同前角的刀具磨損形貌Fig.4 Tool wear morphology with different rake angles

刀具在前角較小的情況下車削時，此時刀具的抗剪切強度比較高，抵抗外力的沖擊能力高，且刀尖體積大，切削熱更易散走，故在前角相對較小的情況下車削，刀具的體積磨損量較小。

隨著前角的增大，刀尖體積減小，熱量散發愈加困難，由于氧化鋯陶瓷的導熱率較低，僅為45號鋼的1/18，切削熱集中于刀尖區域，局部高溫導致刀尖材料塑化，刀具的抗剪切強度不斷下降，當切削力的沖擊載荷強度達到刀具晶界斷裂強度時，切削刃處將產生晶界裂紋，由于陶瓷屬于脆性材料，材料的去除方式導致車削方式為斷續加工，刀具與切削層發生接觸和分離兩種狀態的交替進行，在這種持續的高頻率沖擊載荷下，加速了裂紋的不斷擴展，造成切削刃發生崩刃破損，破損后的切削刃繼續車削，導致磨損進一步加劇直至刀具失效。

2.3 后角對刀具體積磨損量的影響

圖5為刀具體積磨損量與后角的關系曲線。刀具后角在7°～22°區域內，刀具體積磨損量從6.84×108μm3快速減小至1.02×108μm3；當后角繼續增大至28°，刀具體積磨損量開始緩慢增加到1.93×108μm3。

圖5 刀具體積磨損量與后角的關系曲線Fig.5 Relation curve back angle between tool volume wear

圖6為后角分別為7°、22°、28°時的刀具磨損形貌。當后角為7°時，其后刀面的磨損程度較后角22°和28°時更加顯著，并且刀尖部分發生了崩刃，切削時伴隨著火花。

圖6 不同后角的刀具磨損形貌Fig.6 Tool wear morphology with different back angles

當刀具的后角過小時，刀具的后刀面與陶瓷工件已加工表面的接觸面積較大，摩擦劇烈，產生大量的切削熱，大量的熱應力會在刀具切出工件時被釋放，由于陶瓷車削的特點是切削和空切交替進行，導致拉應力與壓應力呈周期性變化，造成熱應力疲勞，容易使刀具表面產生裂紋，進而加劇了刀具磨損。

隨著后角的增大，刀具后刀面的接觸摩擦面積減小，產生的切削熱也減小，因此磨損的程度也隨之降低，當后角為22°時，刀具的體積磨損量達到最小值。但是，當后角繼續增大時，刀具的體磨損量開始緩慢增加，這是因為隨著刀具后角的增加，切削刃的強度隨之降低，易發生崩刃，并且刀尖的散熱體積也會減小，切削熱難以散去，故加劇了刀具的磨損。

2.4 刀尖圓弧半徑對刀具體積磨損量的影響

圖7為刀具體積磨損量與刀尖圓弧半徑的關系曲線。相對于刀具前角和后角，刀尖圓弧半徑對刀具體積磨損量的影響較小。曲線整體上呈下降趨勢。當刀尖圓弧半徑小于0.8 mm時，隨著半徑的增大，刀具體積磨損量從1.48×108μm3逐漸減小至0.9×108μm3；當刀尖圓弧半徑大于0.8 mm時，刀具體積磨損量隨著半徑的增大而緩慢減小；半徑為1.2 mm時，減小至0.82×108μm3。

圖7 刀具體磨損量與刀尖圓弧半徑的關系曲線Fig.7 Relation curve corner radius between tool volume wear

圖8為刀尖圓弧半徑分別為0.5 mm、0.8 mm和1.2 mm時的刀具磨損形貌圖。從圖8可以看出，3組刀具的后刀面磨損程度相當，而1.2 mm的刀具切削時較為平穩，前刀面磨損相對較輕。

圖8 不同刀尖圓弧半徑的刀具磨損形貌Fig.8 Tool wear morphology with different corner radius

刀尖圓弧半徑過小時，刀尖的強度會變弱，在切削硬脆性的陶瓷材料時，刀具與工件切削產生的崩碎狀切屑堆積在前刀面處，隨著切削的進行，前刀面上滯留的切屑與切削層相互擠壓并產生強烈的摩擦，由于刀尖強度較低，前刀面發生脆性剝落，刀具磨損量相對較大。

當刀尖圓弧半徑變大時，刀尖圓弧部分與工件材料的作用面積增大，刀尖的受力更加均衡，并且此時刀尖的強度也較高，因此刀具的耐磨性更高。

3 結論

(1)YG6刀具外圓車削氧化鋯陶瓷時，刀具的磨損形式主要是黏著磨損，并伴有部分磨粒磨損。

(2)以刀具的體積磨損量作為刀具在不同刀具幾何參數下磨損程度的衡量標準，結果表明刀尖圓弧半徑相對于前角和后角對刀具體積磨損的影響較小。刀具體積磨損量隨著前角的變大，先緩慢減小而后急劇增加；隨著后角的變大，先急劇減小后緩慢增加；隨著半徑的變大，逐漸減小。隨著刀尖圓弧半徑的變大，逐漸減小。