楊海東， 鄒玉明， 張俊生

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

使用易切鋼材料制造生產(chǎn)零件，可以延長刀具壽命，減少切削抗力，提高加工表面光潔度，容易排除切屑，不僅可以提高零件的機械加工生產(chǎn)率，還可以使能耗和成本降低［1－4］，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應用于汽車、航空航天、通用機械、家用電器等產(chǎn)業(yè)［5－7］。根據(jù)添加的易切削元素不同，主要分為硫系易切鋼、鉛系易切鋼、鈣系易切鋼以及復合易切鋼等。鉛系易切鋼會引起環(huán)境污染，因此實際應用受到一定限制。硫系易切鋼綜合切削性能較好，鈣系易切鋼機械性能穩(wěn)定［5］，且兩者不會污染環(huán)境，成本較低，發(fā)展前景較大。本文針對某大型鋼構(gòu)公司生產(chǎn)的新型環(huán)保型硫系易切鋼和鈣硫系易切鋼軸件，研究切削這2種新型環(huán)保型易切鋼刀具的壽命及磨損。

1 試驗設計

（1）試樣材料。加工試樣為2種新型易切鋼，為方便區(qū)分，將試樣中鈣硫系易切鋼稱為試樣A，硫系易切鋼稱為試樣B。2種試樣的初始直徑均為110mm，長度均為280mm。2種試樣材料化學成分及力學性能見表1、表2所列。

表1 2組易切鋼試樣化學成分質(zhì)量分數(shù) %

表2 2組易切鋼試樣力學性能

（2）試驗方案。試驗選用型號為31303C的YT15機夾式硬質(zhì)合金刀具，在CA6140車床上采用干式切削方式進行切削試驗。為使試樣能充分使用，試驗中切削區(qū)長度取250mm。選擇切削用量時，主要考察不同切削速度下切削不同易切鋼材料的刀具使用壽命及其磨損、失效形式的影響，設定背吃刀量ap為1mm；進給量f為0.1mm／r；切削速度v則分別選用 150、200、300m／min。切削刀具的幾何參數(shù)如下：主偏角90°，副偏角6°，前角15°，后角5°，刃傾角－7°，刀具圓弧半徑0.3mm。

在刀具磨損試驗中，不同切削速度下切削一定時間后便取下刀具，采用電子測量顯微鏡對刀具后刀面磨損進行拍照測量，因為切削速度不同，每次測量間隔時間可適當調(diào)整。當達到磨鈍標準VB為0.3mm時停止切削。通過試驗數(shù)據(jù)得到刀具在各切削速度下的使用壽命曲線，拍攝掃描電鏡（SEM）照片觀察刀具表面磨損形貌及對刀具磨損區(qū)進行能譜分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 切削速度對刀具壽命的影響

圖1所示為切削試樣A和試樣B的刀具后刀面磨損量VB在不同切削速度下與切削時間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，切削速度對刀具壽命的影響很大。在切削速度為150m／min時，2種試樣的刀具都有較好的表現(xiàn)，而一旦速度提高到200、300m／min以后，刀具使用壽命明顯降低，后刀面磨損量增加較為明顯。對于試樣A而言，切削速度為150m／min時刀具的使用壽命分別是200m／min和300m／min的2倍和9倍；切削試樣B時，切削速度為150m／min時刀具的使用壽命分別是200m／min和300m／min的3倍和13倍。由此可知，切削試樣B時，刀具使用壽命受切削速度的影響更為明顯。

圖1 2種試樣在不同切削速度下刀具的后刀面磨損曲線

隨著切削速度的提高，刀具的后刀面磨損加劇，刀具使用壽命逐步降低。主要是由于切削加工時，刀具與工件接觸面的切削溫度會隨著切削速度的提高而升高，這不僅會降低刀具材料的表面硬度和耐磨性能，還會增加刀具材料與工件材料的親和性，從而加劇刀具的黏結(jié)磨損和擴散磨損［8－9］，降低刀具使用壽命及加工質(zhì)量。

2.2 工件材料對刀具壽命的影響

不同切削條件下刀具磨損曲線如圖2所示，在切削速度為150m／min時，2種試樣的刀具磨損曲線都比較符合典型磨損曲線，且初期磨損階段基本重合。

試樣A的刀具在切削時長10～60min時表現(xiàn)出較好的切削性能，但過了60min之后，磨損量劇烈增加。這可能是因為試樣A存在微裂紋，刀具切削時處于間斷切削，受間斷沖擊力作用導致刀具磨損迅速加劇。試樣B的刀具正常磨損階段較長，磨損相對均勻，刀具使用壽命近似于試樣A刀具的1.5倍，因此在此速度下試樣B的可切削性能較優(yōu)。當切削速度提高至200m／min時，2條磨鈍曲線基本重合，都經(jīng)歷了短暫的初期磨損，而后基本呈直線上升，直至達到磨損標準。但相對于速度為150m／min曲線，試樣B磨損曲線并無太多區(qū)別，試樣A在整體磨損階段并不如速度為150m／min變化明顯，達到磨鈍標準時未出現(xiàn)劇烈磨損階段。在該切削速度下，2種試樣工件的可切削性無明顯差異。當切削速度達到300m／min，2條磨損曲線在初期磨損后，基本呈線性增長。

由圖2b、圖2c可知，在刀具后刀面磨損量VB達0.25mm前，試樣A的刀具磨損曲線一直在下方，表明試樣A的刀具磨損初期更為緩慢，但隨著切削的進行，刀具磨損逐漸升高，以致后來超過試樣B的刀具磨損量。最終達到磨鈍標準時，兩者的刀具使用壽命基本相當，但試樣A的刀具磨損量增長速率高于試樣B。在該切削速度下，試樣B的可切削性略優(yōu)于試樣A。

試樣A為鈣硫系易切鋼，并沒有表現(xiàn)出比硫系易切鋼更穩(wěn)定的切削性，即刀具使用壽命并沒有高于硫系易切鋼甚至低于硫系易切鋼，可能是因為此類易切鋼化學成分比例并不足以形成CaO·Al2O3·SiO2薄膜。

圖2 不同切削速度下刀具磨損曲線

參照GB 8731－88中9種標準易切鋼化學成分表［1］可以得知，含鈣易切鋼的S含量應控制在0.04% ～0.07%，Ca含 量控制在 0.002～0.006，試樣A中Ca的含量在合理范圍之內(nèi)，而S含量為0.22%，S含量過多時，MnS夾雜在熱軋過程中沿軋制方向伸長，會使鋼材的橫向機械性能明顯降低，加劇鋼材機械性能的各向異性［10］。

2.3 刀具磨損形態(tài)對比

對于試樣A的刀具而言，刀具的失效方式既有磨損也有破損，如圖3所示。

當切削速度為150m／min時，刀尖在切削進行最后一個樣點采集時出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象。主要是因為隨著切削時長的增加，刀具邊界磨損以及月牙洼磨損逐步增加，月牙洼邊緣作為切削刃承擔主要切削工作，抗沖擊能力減弱，最終導致了刀尖的崩刃。月牙洼磨損如圖4所示。同時由于試樣是經(jīng)過鍛打過的，內(nèi)部存在微小裂紋缺陷，切削過程中刀尖處于斷續(xù)切削狀態(tài)，對刀尖存在瞬時沖擊力，這也是導致崩刃的原因之一。

圖3 不同切削速度下試樣A刀具的后刀面磨損

隨著切削時長的增加邊界磨損也較為明顯，這主要是因為此區(qū)域被加工部分為工件材料的加工硬化層，切削過程中應力較大且存在明顯的應力變化及溫度變化。

圖4 150m／min試樣A月牙洼磨損

最終邊界磨損的寬度隨著切削速度的提高而有所減弱，可能是因為隨著切削速度的提高，邊界磨損和后刀面磨損加劇，后刀面磨損很快達到磨鈍標準，而邊界磨損并不特別顯著。當切削速度為300m／min時，刀具也出現(xiàn)微崩刃現(xiàn)象，主要是因為隨著切削速度提高，切削溫度升高，刀尖強度減弱和散熱條件較差，同時硬質(zhì)合金不耐沖擊也是原因之一。后刀面中間區(qū)域出現(xiàn)較大磨損量，且在切削初期就形成了，可能是因為試樣材料中硬質(zhì)點磨損所致。

對于試樣B刀具而言，刀具的后刀面磨損如圖5所示，刀具的失效方式均為磨損。當切削速度為150m／min時，刀具兩側(cè)邊界磨損都比較嚴重，靠近刀尖部分后刀面及副后刀面磨損也較為嚴重，有崩刃危險。與試樣A相比，都是月牙洼邊緣承擔切削任務。但達到磨鈍標準時，試樣B刀具的邊界磨損更為嚴重。當切削速度為200m／min時，后刀面依舊是刀尖部分磨損嚴重。相比試樣A刀具更早出現(xiàn)邊界磨損，但最終邊界磨損都不嚴重。當切削速度為300m／min時，后刀面磨損均勻，邊界磨損輕微，有輕微崩刃現(xiàn)象，相比于試樣A刀具后刀面并無明顯區(qū)別，但前刀面月牙洼出現(xiàn)較早，第1次切削就出現(xiàn)。

圖5 不同切削速度下試樣B刀具的后刀面磨損

2.4 磨損機理分析

在不同切削速度下，刀具的硬質(zhì)點磨損都存在于試樣A和試樣B的切削過程中，尤其以副后刀面刀尖部分的溝槽狀劃痕最為明顯，主要是因為試樣中含有MnO等高硬度的夾雜物，對刀具有很強的犁耕作用，從而導致刀具磨損。在低速切削時，由于刀具達到磨鈍標準的時間較長，所以硬質(zhì)點磨損也更加嚴重。同時前刀面處溝槽除切屑流經(jīng)刻劃而成，還有一部分是因為積屑瘤的剝落產(chǎn)生的。

試樣A和試樣B的刀具黏結(jié)磨損差異則比較大。試樣A刀具在不同切削速度下初期均出現(xiàn)了積屑瘤，切削速度越低，積屑瘤越明顯，保留時間也越長，切削速度越高，積屑瘤越少。試樣B刀具只在切削速度150m／min時出現(xiàn)明顯積屑瘤；當200m／min時在刀尖及磨損邊緣存在微量積屑瘤，當300m／min時，整個切削過程中不存在積屑瘤。產(chǎn)生此種差異的主要原因可能是試樣A是含鈣易切鋼，伸長率和斷面收縮率都比試樣B大，塑性更強，在切削過程中更易粘黏。試樣A刀具在切削速度為300m／min后刀具能譜分析見表3所列，該區(qū)域出現(xiàn)的諸如Fe（89.77%）、Mn（2.19%）、S（1.18%）等元素都是工件材料中的元素，只有少量的W是刀具本身的元素，可見切削刃附近發(fā)生嚴重的黏結(jié)磨損。

表3 300m／min試樣A刀具后刀面能譜分析

為探究刀具的前刀面磨損，對切削區(qū)進行了成分分析。表4所列為試樣A在切削速度為200m／min時的刀具前刀面能譜分析結(jié)果，在刀具前刀面上出現(xiàn)了大量工件中的元素，可見刀具前刀面發(fā)生了擴散磨損，這也是形成月牙洼的主要原因。對比不同切削速度下的月牙洼處能譜分析結(jié)果，當切削速度為300m／min時，分析結(jié)果中工件元素所占比例最大。甚至刀具體的元素只剩下W和Ti，而Co元素在某些采集點已經(jīng)無法測量到，切削速度越高，切削區(qū)的溫度越高，從而擴散磨損更快。對比擴散后的W和Ti的元素比例，與刀具起初的比例相比減少，這表明硬質(zhì)合金刀具中Ti的擴散速度相對較慢。

表4 200m／min時試樣A刀具前刀面能譜分析

3 結(jié) 論

本文研究了YT15硬質(zhì)合金刀具在不同切削速度下切削2種新型環(huán)保易切鋼的刀具壽命、磨損形態(tài)和機理。通過對試驗結(jié)果的分析得出以下結(jié)論：

（1）切削速度對2種試樣的刀具使用壽命影響都十分明顯，切削速度越高，壽命越低。切削速度對試樣B的刀具使用壽命影響更大。在切削速度為150m／min時，試樣B的刀具使用壽命是切削A工件刀具的1.5倍，當切削速度升高至200、300m／min時，兩者的壽命相當。

（2）在切削2種易切鋼時，刀具的磨損形態(tài)主要有后刀面磨損以及月牙洼磨損。當切削速度為150m／min時，還有嚴重的邊界磨損，而黏結(jié)磨損和擴散磨損為切削過程中的主要磨損原因。

（3）切削試樣A時刀具在不同切削速度下磨損初期均出現(xiàn)積屑瘤，切削試樣B時切削速度為150m／min時存在明顯積屑瘤，200m／min存在微量積屑瘤，300m／min時則沒有出現(xiàn)。由此可知，由于試樣A的塑性比試樣B大，對黏結(jié)磨損影響也較大。

（4）鈣系易切鋼要得到氧化膜保護層，必須在冶煉時保證被切鋼料的化學成分，并形成特殊的夾雜物。

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