高東強(qiáng)，艾 旭，陳 威，呂政琳

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021）

涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)奧氏體不銹鋼的切削特性

高東強(qiáng)，艾 旭，陳 威，呂政琳

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021）

為了深入探究涂層硬質(zhì)合金刀具切削奧氏體不銹鋼的切削機(jī)理，試驗(yàn)采用確定的進(jìn)給量和背吃刀量，只改變切削速度的單因素法，來(lái)研究切削速度對(duì)奧氏體不銹鋼工件加工表面質(zhì)量的影響以及涂層刀具的切削機(jī)理。采用JEOL JSM-6360LV掃描電子顯微鏡和EDS能譜儀對(duì)工件加工表面及磨損刀片進(jìn)行表面微區(qū)磨損形貌的觀察分析與組成成分分析，采用X射線衍射儀對(duì)工件表面物相組成進(jìn)行分析，采用激光掃描顯微鏡LSM對(duì)工件表面三維形貌進(jìn)行觀察分析。研究表明，切削速度較低時(shí)，不銹鋼材料因材質(zhì)較軟，斷屑性能較差;速度較高時(shí)，切削過(guò)程中粘著現(xiàn)象嚴(yán)重，致使摩擦剪應(yīng)力較大，摩擦表面發(fā)生形變，進(jìn)而誘發(fā)不銹鋼的馬氏體相變。因此，宜選用中速V=85m/min進(jìn)行切削，在此速度下，被加工件獲得的表面質(zhì)量較好，表面粗糙度Ra=3.679μm。刀具磨損主要發(fā)生在前刀面靠近刀尖的部位，磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘著磨損。研究發(fā)現(xiàn)，涂層硬質(zhì)合金刀具在體現(xiàn)出一定的良好切削性能的同時(shí)也不可避免地發(fā)生了磨損，所以深入研究其切削機(jī)理能夠豐富涂層刀具的切削理論，為提高涂層刀具在切削難加工材料時(shí)的刀具壽命以及拓展其在實(shí)際切削加工中的應(yīng)用范圍提供試驗(yàn)依據(jù)。

涂層硬質(zhì)合金刀具;奧氏體不銹鋼;干切削;切削速度;刀具磨損

1 引 言

不銹鋼以其強(qiáng)度高、剛度好、耐腐蝕性強(qiáng)、耐磨性好、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)異的綜合性能，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、石油、建筑和食品等各行各業(yè)中［6-8，15，19］。其類型有很多，可分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼及奧氏體不銹鋼三大類，其中奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種［6-8，15］。但在對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行切削加工時(shí)，由于其具有韌性、塑性高等性能特點(diǎn)，切削過(guò)程中切削力大，切削表面局部溫度高，加工硬化傾向大，切屑不易折斷、易粘結(jié)，刀具易磨損，表面質(zhì)量和精度不易保證等加工特點(diǎn)，因此對(duì)刀具材料的性能也提出了較高的要求［1-6，19］。

目前，常用來(lái)切削不銹鋼材料的刀具除傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具外還有陶瓷刀具、涂層刀具等［2，4-5］。周建濤［15］研究了硬質(zhì)合金刀具YT5、YT15、YG6X、YG6車削半奧氏體沉淀硬化不銹鋼的磨損機(jī)理發(fā)現(xiàn)，四種刀具在切削加工過(guò)程中，隨切削速度的增大，均出現(xiàn)了不同程度的擴(kuò)散磨損、粘結(jié)磨損、氧化磨損以及邊界磨損（溝槽磨損）。YT5刀具的磨損以前后刀面的粘結(jié)磨損和粘結(jié)層邊界處的擴(kuò)散磨損為主;YT15刀具的磨損主要體現(xiàn)為前后刀面磨損區(qū)域邊緣處的氧化磨損和粘結(jié)層邊界處的擴(kuò)散磨損;YG類硬質(zhì)合金刀具除了前后刀面粘結(jié)磨損和磨損區(qū)域邊緣處的氧化磨損外，還因其硬度相對(duì)較低易形成后刀面的邊界磨損（溝槽磨損）。全燕鳴［29］等研究了硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具干切削不同顆粒SiC增強(qiáng)鋁硅基合金的性能，得出M系列硬質(zhì)合金在切削粗顆粒SiC增強(qiáng)的鋁硅基合金復(fù)合材料時(shí)磨損很快，而K系列以K01較為耐磨，K10次之;細(xì)晶粒的Si3N4陶瓷刀具切削粗顆粒SiC鋁硅基合金復(fù)合材料不耐磨也不抗冷焊。戴登釗［30］研究了干切削條件下陶瓷刀具Al2O3/SiCw（AS）、Al2O3/（Ti，W）C（AT）和Si3N4/TiC（ST）切削奧氏體不銹鋼時(shí)的磨損機(jī)理，發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的增加，AS刀具在切深處發(fā)生了比較嚴(yán)重的溝槽磨損，切削刃上的粘結(jié)現(xiàn)象顯著加劇，前刀面發(fā)生了磨粒磨損以及機(jī)械載荷和熱載荷共同作用下的破損;AT刀具同樣在切深處發(fā)生了較嚴(yán)重的溝槽磨損，刀具刀尖出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象;與AS刀具類似，ST刀具切削刃上的粘結(jié)現(xiàn)象顯著加劇。石增敏等［35］對(duì)比自制金屬陶瓷刀片與通用硬質(zhì)合金刀片YG8、TN20切削奧氏體不銹鋼時(shí)的切削性能曲線發(fā)現(xiàn)，在切削進(jìn)行的前16min內(nèi)陶瓷刀片的磨損量為TN20的1/3，YG8的1/5，表現(xiàn)出較好的耐磨性和使用性能，但隨切削時(shí)間的延長(zhǎng)陶瓷刀片的磨損加劇導(dǎo)致其耐磨性比TN20差，磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘附磨損。鄧建新［36］等研究了不同含量TiB2的Al2O3/TiB2陶瓷材料與硬質(zhì)合金在室溫滑動(dòng)摩擦?xí)r的摩擦磨損特性，結(jié)果表明隨著TiB2的增加（10％，20％，30％，40％）摩擦副摩擦因數(shù)減小，材料抗磨損性能增強(qiáng)，且陶瓷材料磨損機(jī)制主要為微觀切削和斷裂。

很顯然，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具以及陶瓷刀具在切削奧氏體不銹鋼時(shí)，磨損均較為嚴(yán)重，所體現(xiàn)的切削性能及刀具壽命不能滿足越來(lái)越高的使用要求，因此，近年來(lái)，研究者們將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向涂層刀具切削奧氏體不銹鋼的切削性能。相比同種基體未涂層刀具，涂層刀具的使用壽命延長(zhǎng)了2～3倍，加工效率（包括切削速度和進(jìn)給速度）明顯提高，刀具耐用度提高2～10倍，抗月牙洼磨損能力可提高5～10倍［8-9，11，14，18，37］;與普通刀具相比也具有很多優(yōu)點(diǎn)，較高的硬度和耐磨性，且耐高溫，被加工表面質(zhì)量好等，尤其適合加工不銹鋼、耐熱合金、鈦合金等難加工材料［8，13-14，20］，且利用不同方法制備的涂層性能也有所不同［38-40］。

馮振興［13］對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具與陶瓷刀具進(jìn)行切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在切削鐵基高溫合金的過(guò)程中，隨切削速度的增大涂層硬質(zhì)合金刀具磨損加劇，導(dǎo)致其壽命的降低。涂層刀具主要發(fā)生了前刀面月牙洼磨損和溝槽磨損，部分涂層發(fā)生脫落，當(dāng)切削速度繼續(xù)增大時(shí)，兩種刀具均出現(xiàn)崩刃和片狀剝離的破損。冉春華［21］利用TiN涂層刀具與未涂層的YT15硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在用兩種刀具切削低硬度40Cr鋼時(shí)，隨切削速度的增大，二者的切削溫度均急劇上升，但在切削速度大于88m/min后，TiN涂層刀具的切削溫度一直低于YT15的切削溫度，而TiN涂層刀具的切削力有所下降并低于YT15的切削力，因此在高速切削條件下，TiN涂層對(duì)刀具起到了更好的保護(hù)作用，壽命較高;然而，當(dāng)大量涂層被磨掉而繼續(xù)切削時(shí)，刀具刀尖處磨損與YT15類似，粘著磨損嚴(yán)重，涂層發(fā)生氧化現(xiàn)象，刀具發(fā)生塑性變形磨損。陳政文［23］研究了TiAlSiN涂層硬質(zhì)合金刀具切削奧氏體不銹鋼的切削性能，并與傳統(tǒng)的TiN、TiAl N涂層進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)用TiAlSiN涂層刀具加工時(shí)的被加工件表面粗糙度小于另外兩種刀具，原因可能是此種刀具中Si元素在高溫下被氧化生成了SiO2，阻礙了奧氏體不銹鋼的粘著現(xiàn)象。TiN涂層刀具刀尖處由于切削摩擦熱的積累造成涂層局部脫落，基體產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)其后刀面磨損量是三者中最大的;TiAl N、TiAlSiN涂層刀具，前者切削刃處磨損嚴(yán)重，后者后刀面靠近刀尖和切削刃處被加工件材料的粘著較嚴(yán)重。

綜上所述，涂層刀具已越來(lái)越多地應(yīng)用于奧氏體不銹鋼的切削加工，其切削性能優(yōu)于未涂層的刀具，但隨著切削的進(jìn)行，涂層刀具仍不可避免地發(fā)生了各種形式的磨損，從而導(dǎo)致刀具失效，與此同時(shí)，由于不同涂層的刀具在切削不同材料時(shí)的磨損機(jī)理不同［22，24-26］，不同研究者得出的磨損機(jī)理也不盡相同，就目前情況而言，對(duì)于涂層刀具切削奧氏體不銹鋼時(shí)的切削機(jī)理研究還不夠深入。因此，本試驗(yàn)選用以YT15硬質(zhì)合金作為基體的TiAl N涂層刀具切削加工1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼材料，研究切削速度對(duì)奧氏體不銹鋼工件加工表面質(zhì)量的影響以及涂層刀具的切削機(jī)理，以豐富涂層刀具的切削理論，為提高涂層刀具在切削難加工材料時(shí)的刀具壽命以及拓展其在實(shí)際切削加工中的應(yīng)用范圍提供試驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的刀片和刀桿來(lái)源均是由市面統(tǒng)一購(gòu)買的，刀片為TiAl N涂層硬質(zhì)合金刀片，TiAl N涂層是灰紫色，表面硬度為HV2800［8，19，31］。刀片基體是WC-TiC-Co類硬質(zhì)合金YT15，配合常州悍獅霸數(shù)控刀具有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為MTGNR/L 1616 H16的壓緊式刀桿，刀片形狀呈正三角形。裝夾后刀具幾何參數(shù)為：前角γ0=6°，后角α0=7°，刃傾角λs=-6°，主偏角κr=91°，副偏角κr′=29°，刀尖圓弧半徑rε= 0.8mm。

試驗(yàn)選用市購(gòu)的1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼棒料為切削材料，直徑為50mm，長(zhǎng)度為256mm，圖1所示為奧氏體不銹鋼工件表面的EDS能譜分析圖，其化學(xué)成分如表1所示。

圖1 不銹鋼工件表面EDS能譜圖Fig.1 EDS spectrum diagram of workpiece surface

表1 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分/wt％Table 1 Chemical components of 1Cr18Ni9Ti austenitic stainless steel

在C6132A1車床上進(jìn)行外圓干切削試驗(yàn)，車削長(zhǎng)度為80mm，采用改變切削速度的單因素法，切削用量為：背吃刀量ap=1mm，進(jìn)給量f=0.1mm/r，切削速度V1=55m/min;V2=85m/min;V3=120m/min。

切削試驗(yàn)完成后，采用JEOL JSM-6360LV掃描電子顯微鏡和EDS能譜儀對(duì)奧氏體不銹鋼工件加工表面及磨損刀片進(jìn)行表面微區(qū)磨損形貌的觀察與組成成分分析，采用X射線衍射儀對(duì)工件表面物相組成進(jìn)行分析，采用激光掃描顯微鏡LSM對(duì)工件的表面形貌及表面加工質(zhì)量進(jìn)行觀察分析，通過(guò)分析刀具磨損機(jī)理及切屑形態(tài)來(lái)研究涂層刀具加工不銹鋼時(shí)的切削性能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 切削速度對(duì)不銹鋼工件表面質(zhì)量的影響

圖2和圖3所示為不同切削速度下工件加工表面形貌圖。表2中列出了不同切削速度下工件加工表面的質(zhì)量分析參數(shù)。

表2 工件加工表面質(zhì)量分析參數(shù)Table 2 Quality analysis parameters of the machined workpiece surface

由圖2可看出，不同切削速度下的車削紋理特點(diǎn)均體現(xiàn)為：奧氏體不銹鋼工件表面呈現(xiàn)一道道凹凸不平的犁溝，但排列較為規(guī)整，并且沿著車削進(jìn)給方向（從右向左）突脊犁溝的波動(dòng)幅度不斷增大。在奧氏體不銹鋼加工表面取長(zhǎng)為1408.671μm的一小段表面，當(dāng)切削速度為V2=85m/min時(shí)，由圖2二維輪廓曲線可知，該段加工表面輪廓曲線波動(dòng)范圍差為27.505μm，均小于V1=55m/min時(shí)的36.578μm和V3=120m/ min時(shí)的39.742μm，而當(dāng)V3=120m/min時(shí)，從曲線變化可看出，曲線波動(dòng)較大，原因是車床在較高切削速度下發(fā)生振動(dòng)，從而造成刀具在切削過(guò)程中的振動(dòng)，導(dǎo)致工件加工表面質(zhì)量發(fā)生變化，表面粗糙度增大。

圖2 工件加工表面形貌及二維輪廓曲線（a）V1=55m/min;（b）V2=85m/min;（c）V3=120m/minFig.2 Morphology and 2d surface profile curve of the machined workpiece surface

選取工件寬度為1410.0μm，由圖3不同切削速度下工件加工表面的三維形貌圖可知，當(dāng)切削速度為V2=85m/min時(shí)，突起的棱脊高度范圍在49.7μm以下，均小于V1=55m/min時(shí)的66.3μm和V3= 120m/min時(shí)的87.2μm，在沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)位移方向橫向度量范圍內(nèi)，靠近刀尖部位車削過(guò)的工件表面光滑平整，越靠近副后刀面和副切削刃尾部刀具與工件分離處，工件加工表面相對(duì)越粗糙。

圖3 工件加工表面三維形貌（a）V1=55m/min;（b）V2=85m/min;（c）V3=120m/minFig.3 Three-dimensional shape of the machined workpiece surface

激光掃描顯微鏡觀察表明，被切削工件表面犁溝凹凸不平現(xiàn)象明顯，圖4所示為不同切削速度下，奧氏體不銹鋼工件表面粗糙度柱狀圖，由圖可知，隨著切削速度的增大，奧氏體不銹鋼工件表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)切削速度V2=85m/min時(shí)，不銹鋼加工表面粗糙度Ra=3.679μm，比V1=55m/min時(shí)的4.696μm和V3=120m/min時(shí)的6.039μm都小，是三種切削速度下工件加工表面粗糙度中最為理想的，工件加工表面是最光整的，加工表面質(zhì)量最好，體現(xiàn)出了較好的切削性能。圖5所示為刀具后刀面磨損量隨切削時(shí)間的變化曲線，由圖可知，當(dāng)切削速度為V1=55m/min和V3=120m/min時(shí)，可能是由于刀具后刀面磨損量較大，從而加快了工件加工表面粗糙度值的增加［28］。因此，認(rèn)為在中速時(shí)利用涂層硬質(zhì)合金刀具切削奧氏體不銹鋼效果比較好。

圖4 工件加工表面粗糙度Fig.4 Surface roughness of the workpiece

圖5 刀具后刀面磨損量隨切削時(shí)間的變化曲線Fig.5 Evolution of flank wear with the machining time

3.2 刀具磨損分析

圖6所示為切削速度V2=85m/min時(shí)的工件表面背散射（BES）圖（掃描電子顯微鏡照片），如圖6（a）所示，被加工件表面質(zhì)量較好，磨損并不嚴(yán)重。由圖6（b）的局部放大圖可以觀察到，被加工件表面出現(xiàn)了凹坑，這是由于隨著切削的進(jìn)行，涂層刀具的刀尖處發(fā)生嚴(yán)重磨損（如圖7所示）后，導(dǎo)致工件加工表面產(chǎn)生磨損，質(zhì)量發(fā)生變化。因此，選擇該切削速度時(shí)的涂層刀具為對(duì)象，進(jìn)一步研究其磨損形態(tài)及磨損機(jī)理。

圖6 工件表面BES圖（a）工件表面BES圖;（b）工件表面局部BES圖Fig.6 BES diagram of workpiece surface

圖7 刀具磨損形態(tài) （a）整體磨損形態(tài);（b）刀尖處局部放大圖Fig.7 Wear morphology of the tool

利用JEOL JSM-6360LV掃描電子顯微鏡觀察切削速度V2=85m/min時(shí)刀具的磨損形貌，利用EDS能譜儀對(duì)刀具刀尖磨損處進(jìn)行成分分析，如圖7、圖8所示，表3所示為刀具刀尖磨損處各點(diǎn)的組成成分。

由圖7（a）可看出，刀具刀刃有一定的鈍圓，而在刀具后刀面和已加工表面間強(qiáng)烈的摩擦作用下，后刀面上靠近切削刃的部位被磨出后角為零的小棱面，主切削刃因?yàn)榭拷ぜ馄ぬ?，受工件上道工序硬化層等因素的影響，磨損也很嚴(yán)重。副切削刃與工件接觸處形成了輕微的溝槽磨損（如圖7（b）箭頭所指）。如圖7（b）所示，在刀具前刀面靠近刀尖處發(fā)生了明顯的月牙洼磨損，且存在明顯的材料粘結(jié)現(xiàn)象，由于不銹鋼材料的粘結(jié)作用，部分月牙洼被遮擋，但仍能觀察到月牙洼部分形貌。月牙洼磨損是由于切屑與前刀面在相互接觸時(shí)產(chǎn)生劇烈摩擦作用造成磨損而形成的，當(dāng)月牙洼磨損距切削刃較近時(shí)，刀刃強(qiáng)度下降，月牙洼不斷擴(kuò)展，極易發(fā)生崩刃，導(dǎo)致刀具壽命變短［13］。刀具前刀面磨損機(jī)理以粘著磨損為主。

圖8 磨損刀具的EDS能譜圖 （a）1點(diǎn)處的EDS圖;（b）2點(diǎn)處的EDS圖;（c）3點(diǎn)處的EDS圖Fig.8 EDS spectrum diagram of the worn cutting tool

結(jié)合圖8和表3可知，圖7（b）中1點(diǎn)處EDS分析結(jié)果與試驗(yàn)所采用的TiAl N涂層硬質(zhì)合金刀具的涂層成分相符合，2點(diǎn)處EDS分析顯示Fe、Cr、Ni含量較高，且有少量的Ti，主要是不銹鋼材料，由于不銹鋼材料的粘著作用，刀具涂層磨損嚴(yán)重，因此3點(diǎn)處主要為不銹鋼、涂層和硬質(zhì)合金基體的混合成分。由此可知圖7（b）中1點(diǎn)處為刀具涂層，2點(diǎn)處為不銹鋼粘結(jié)層，3點(diǎn)處為涂層剝落后裸漏的基體材料。

表3 涂層硬質(zhì)合金刀具的組成成分/wt.％Table 3 Components of coated carbide tool

根據(jù)文獻(xiàn)［13，15］可以推斷出產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是，由于刀具和被加工件表面均存在許多微凸體，在切削初期，微凸體間發(fā)生劇烈摩擦，而不銹鋼材料材質(zhì)較軟，因此刀具涂層表面的硬質(zhì)顆粒對(duì)工件表面產(chǎn)生犁削作用，在切削高溫下不銹鋼易粘著在刀具表面發(fā)生材料轉(zhuǎn)移;當(dāng)切削繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，在劇烈的摩擦作用下刀具表面粘著的不銹鋼與不銹鋼工件之間繼續(xù)發(fā)生粘著，表面接觸點(diǎn)上因具有較高的接觸應(yīng)力而發(fā)生冷焊，兩表面繼續(xù)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)粘著結(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生剪切和斷裂，而剪切和斷裂可能因粘著部位的加工硬化而發(fā)生在涂層內(nèi)，使得部分涂層被不銹鋼材料帶走，并隨切屑流出，也可能發(fā)生在不銹鋼工件基體內(nèi)使得不銹鋼材料繼續(xù)向刀具表面轉(zhuǎn)移，粘著結(jié)點(diǎn)的形成和斷裂的不斷交替最終造成了刀具的粘著磨損。在整個(gè)切削過(guò)程中，涂層作為化學(xué)屏障和熱屏障，對(duì)刀具基體起到了一定的保護(hù)作用，能在一定程度上減少刀具基體與工件間的摩擦和元素之間的化學(xué)反應(yīng)，降低磨損程度，產(chǎn)生了一定的固體潤(rùn)滑的效果。

隨著切削速度的增大，TiAl N涂層刀具在切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力有所下降［21］，切削溫度升高。Fenglian Sun等的相關(guān)研究［32］認(rèn)為，硬質(zhì)合金刀具切削奧氏體不銹鋼在低速時(shí)，刀具前刀面未發(fā)生粘著磨損，只發(fā)生了小區(qū)域內(nèi)切屑的嵌入和焊接現(xiàn)象;中速時(shí)，刀具磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘著磨損、氧化擴(kuò)散磨損和邊界磨損;高速時(shí)，刀具前刀面發(fā)生月牙洼磨損，但未發(fā)生粘著磨損，原因是切削速度較高時(shí)，被切削工件材料還來(lái)不及發(fā)生粘結(jié)就產(chǎn)生了硬化現(xiàn)象。根據(jù)本文對(duì)涂層刀具磨損機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，在中速時(shí)，即V2= 85m/min時(shí)，涂層刀具磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘著磨損。

切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑的形貌隨著切削速度的變化也體現(xiàn)出了較大的差異，如圖9所示，速度較低時(shí)，由于不銹鋼材料較軟，斷屑性能不好，切屑較長(zhǎng)且呈螺旋狀;速度較高時(shí)，切屑較小呈顆粒狀，原因是在切削摩擦過(guò)程中，刀具與工件表面粘著現(xiàn)象嚴(yán)重，使摩擦剪切應(yīng)力增大，在正應(yīng)力和摩擦剪切應(yīng)力共同作用下，摩擦表面和次表面發(fā)生形變，從而誘發(fā)了馬氏體相變［34］，對(duì)切削過(guò)的不銹鋼材料表面進(jìn)行X射線衍射分析，XRD分析結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明被加工工件由馬氏體和奧氏體兩種相組成。不銹鋼材料的馬氏體相變現(xiàn)象使得不銹鋼脆性升高，因此切屑容易斷裂。由于切削溫度隨著切削速度的增加而不斷上升，因此切屑表面可能發(fā)生氧化生成氧化物而致切屑顏色變暗。

圖9 不同切削速度下切屑的宏觀形貌 （a）V1=55m/min;（b）V2=85m/min;（c）V3=120m/minFig.9 Macro morphology of the chip

圖10 被加工表面XRD分析Fig.10 XRD analysis of the machined surface

綜上所述，在利用Ti Al N涂層硬質(zhì)合金刀具切削奧氏體不銹鋼時(shí)，選擇中速切削即V2=85m/min，刀具能夠獲得較好的斷屑性能，并不至因不銹鋼粘著效應(yīng)產(chǎn)生形變而引起太過(guò)嚴(yán)重的不銹鋼馬氏體相變，被切工件表面質(zhì)量較好，表面粗糙度Ra=3.679μm。切削加工過(guò)程中涂層刀具的磨損主要發(fā)生在前刀面靠近刀尖的部位，磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為粘著磨損，涂層刀具雖然體現(xiàn)出了一定的良好切削性能，但在不同形態(tài)磨損的綜合作用下仍不可避免地發(fā)生了一定程度的磨損。

4 結(jié) 論

1.利用TiAl N涂層硬質(zhì)合金刀具切削奧氏體不銹鋼時(shí)，切削速度對(duì)工件加工表面質(zhì)量的影響較大。速度較低時(shí)，由于不銹鋼材料材質(zhì)較軟，斷屑性能較差;速度較高時(shí)，切削摩擦過(guò)程中因粘著現(xiàn)象嚴(yán)重致使摩擦剪應(yīng)力較大，摩擦表面發(fā)生形變進(jìn)而誘發(fā)馬氏體相變，因此，應(yīng)選擇在V=85m/min的切削速度下進(jìn)行切削加工。由表面質(zhì)量分析可知，此速度下工件加工表面較光整，質(zhì)量較好，表面輪廓曲線波動(dòng)范圍差較小，為27.505μm，表面粗糙度Ra=3.679μm，體現(xiàn)了較好的切削加工性能。

2.切削過(guò)程中，TiAl N涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損主要發(fā)生在前刀面靠近刀尖的部位，其磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為月牙洼磨損，磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為因不銹鋼材料粘著效應(yīng)引起的粘著磨損（粘著結(jié)點(diǎn)的形成與斷裂不斷交替所致），不同形態(tài)的磨損共同作用導(dǎo)致了刀具的磨損，使刀具涂層失效。

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Characteristics of Coated Carbide Tools for Machining Austenitic Stainless Steel

GAO Dong-qiang，AI Xu，CHEN Wei，LV Zheng-lin
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science&Technology，Xi’an 710021，China）

In order to further explore the wear mechanism of the coated carbide tools cutting austenitic stainless steel and to study the influence of cutting speed on the quality of machined surface，the tests were carried out by using single factor method in which only cutting speed was changing and the feed amount and cutting depth were fixed.The wear morphology of the machined surface was observed by JEOL JSM-6360LV SEM，and the composition of the machined surface and the worn surface of cutting tools were analyzed by using EDS.X-ray diffraction and LSM were also employed to analyze phase composition and three-dimensional shape of the workpiece surface，respectively.The researche shows that，because of the material softness at lower speed，the chip breaking performance of the stainless steel is poor.At high speed，however，the serious adhesion phenomenon during the cutting process cause larger friction shearing stress so that the friction surface deformation would occur，leading to the martensitic transformation of stainless steel.Therefore，it is suitable to choose a middle speed（V=85m/min）to machine austenitic stainless steel.A better quality of machined surface has been obtained and the roughness of the surface is Ra=3.679μm.Tool wear occurs mainly at therake face close to the tool nose，the major wear mechanism is adhesive wear.It can thus be seen that，coated carbide tools embody certain good cutting performance，but the wear also inevitably take place.Therefore，the further study of tool’s cutting mechanism can not only enrich the coated carbide tools cutting theory，but also provide experimental basis of improving the tool’s life when cutting hard machining materials and extend the scope of its practical application.

coated carbide tools;austenite stainless steel;dry turning;cutting speed;tool wear

TH117.1

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.021

1673-2812（2016）03-0437-08

2015-05-26;

2015-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51405278）;陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（14JK1082）;陜西科技大學(xué)引進(jìn)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（BJ11-0）

高東強(qiáng)（1960-），男，教授，博士，主要研究方向：凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM、先進(jìn)制造技術(shù)、材料加工工程等。

艾 旭（1991-），女，碩士研究生。E-mail：312830471@qq.com。