劉永龍,蘇國勝,趙 猛,劉 義

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機(jī)械工程學(xué)部,山東 濟(jì)南 250353

純鐵塑性大、強(qiáng)度低、韌性強(qiáng),在切削加工時(shí)容易出現(xiàn)切屑長而不斷、刀具黏結(jié),影響加工效率和加工表面質(zhì)量[1-3],是一種難加工材料。

朱金鵬等[4]用PVD TiAlN 涂層硬質(zhì)合金刀片在進(jìn)給量為0.02 mm/r、切削深度為0.04 mm進(jìn)行純鐵車削實(shí)驗(yàn),研究切削速度的變化對(duì)表面粗糙度的影響。結(jié)果表明在切削速度為80 m/min時(shí)表面粗糙度很大,這是由于工件表面材料主要受刀具的擠壓作用,使得純鐵材料極易黏結(jié)在刀具表面形成積屑瘤導(dǎo)致的[5-7]。從80 m/min到120 m/min時(shí)表面粗糙度持續(xù)減小,這是由于切削速度的提高提高了切削溫度,純鐵材料發(fā)生了明顯的熱軟化效應(yīng),積屑瘤減小,導(dǎo)致表面粗糙度降低。從120 m/min到200 m/min時(shí)表面粗糙度又持續(xù)增大,這是由于切屑與刀具間摩擦加劇導(dǎo)致刀具前刀面溫度大幅度升高,使工件表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形和側(cè)向流動(dòng),增大了表面粗糙度值。

孔金星等[8]用刀具主偏角為93°,刀具前角為15°,刃傾角為10°的硬質(zhì)合金刀具在切削參數(shù)為切削速度v=100 m/min和300 m/min,進(jìn)給量f=0.1 mm/r,切削深度ap=0.15 mm時(shí)對(duì)純鐵進(jìn)行切削。結(jié)果表明隨著切削時(shí)間的增加切削速度為100 m/min時(shí)刀具后刀面相對(duì)磨損緩慢,同時(shí)加工表面粗糙度平緩增大。而切削速度為300 m/min時(shí)隨著切削時(shí)間的增加刀具后刀面劇烈磨損,同時(shí)工件表面粗糙度急劇增加,表面形貌嚴(yán)重惡化。同時(shí)采用無磨損刀具、后刀面的平均磨損量VB為0.12和0.21 mm的刀具在MQL冷卻潤滑條件下對(duì)純鐵材料進(jìn)行切削。發(fā)現(xiàn)無磨損刀具的刃口較為鋒利,在刀具與純鐵工件接觸點(diǎn)前方產(chǎn)生嚴(yán)重的“塑性凸出”效應(yīng)[9],工件表面呈現(xiàn)較大的殘余拉應(yīng)力。

在材料塑性應(yīng)力波波速階段切削工件,可以避免材料因塑性大而產(chǎn)生的難斷屑、應(yīng)變硬化、黏刀等問題[10-12]。采用以銑代車的方式,在純鐵材料塑性應(yīng)力波波速階段切削純鐵,觀察硬質(zhì)合金、PCBN、陶瓷3種材料刀具切削純鐵的刀具磨損和已加工表面質(zhì)量,為純鐵高速脆性切削刀具優(yōu)選提供參考。

1 高速切削實(shí)驗(yàn)

1.1 刀具選擇

為實(shí)現(xiàn)在8 000 m/min速度下脆性切削純鐵,選擇圖1所示硬質(zhì)合金(型號(hào)TNMG160408)、PCBN(型號(hào)TNGA160408)和陶瓷(型號(hào)TNMG160408)3種刀具。3種刀具幾何參數(shù)有所不同,其中硬質(zhì)合金刀具切削刃為鋒刃,并有一定的前角。而PCBN和陶瓷刀具切削刃為負(fù)倒棱,前、后角均為0°,刀桿為MTFNR2020K16型復(fù)合壓緊式刀桿。

注：(a)硬質(zhì)合金刀具;(b)PCBN刀具;(c)陶瓷刀具。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置采用以銑代車的方式,使切削速度達(dá)到8 000 m/min。工件為厚1.5 mm,直徑400 mm的純鐵圓盤。通過螺栓將其固定在刀柄上,并安裝在大宇mynx530型數(shù)控加工中心的主軸上。刀具通過刀桿固定在臺(tái)鉗上。

為對(duì)比3種刀具脆性切削純鐵的效果,設(shè)置了不同切削長度從而選出切削長度大且刀具磨損小的刀具。每種刀具在切削固定長度后,將更換新的刀具進(jìn)行后續(xù)切削。切削參數(shù)見表1。

表1 切削參數(shù)設(shè)置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 切屑形態(tài)

切屑的形態(tài)隨著切削速度的變化而變化[13],圖2是切削速度從1 000 m/min到8 000 m/min時(shí)切屑形態(tài)的變化。

注：(a)切削速度1 000 m/min;(b)切削速度為3 000 m/min;(c)切削速度5 000 m/min;(d)切削速度7 000 m/min;(e)切削速度8 000 m/min。

切削速度為1 000 m/min時(shí),發(fā)現(xiàn)切屑為完整的一條帶狀切屑(圖2 (a)。當(dāng)切削速度為3 000 m/min時(shí),切屑和切削速度為1 000 m/min的切屑相似,仍然為帶狀切屑(圖2 (b)。切削速度為5 000 m/min,帶狀切屑明顯變細(xì),切屑卷曲也更加紊亂(圖2 (c))。當(dāng)切削速度為7 000 m/min時(shí),絲狀切屑和細(xì)窄的帶狀切屑大量出現(xiàn)并團(tuán)聚在一起(圖2 (d))。隨著切削速度的進(jìn)一步提高,切削速度達(dá)到8 000 m/min時(shí),切屑形態(tài)為粉末狀切屑(圖2 (e))。

對(duì)圖2(e)中切屑進(jìn)一步放大,如圖3。圖3(a)～(d)顯示圖2(e)中的顆粒切屑是尺寸為300～1 000 μm的微小片狀切屑碎屑或切屑熔融小球。熔融球是切削過程中切屑被切削熱(主要是刀屑摩擦熱)加熱飛出時(shí)與氧氣接觸熔化形成的[14]。圖3(d)中的片狀切屑有脆性邊界,說明片狀切屑是由脆性斷裂形成的。片狀切屑的顏色為銀亮色,說明切屑是在較低溫度下形成的,沒有被高溫氧化。

注：(a)熔融切屑與脆性斷裂切屑圖;(b)為(a)中切屑大框的局部放大圖;(c)為(a)中切屑小框的局部放大圖;(d)脆性斷裂的切屑。

2.2 切削力

為了對(duì)比3種刀具在8 000 m/min速度下脆性切削純鐵的性能,使用測(cè)力儀對(duì)刀具切削力進(jìn)行了測(cè)量。圖4為3種刀具在8 000 m/min速度時(shí)切削純鐵時(shí)的主切削力,其中細(xì)實(shí)線為采集的原始數(shù)據(jù)。為便于觀察切削力的變化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了每40個(gè)數(shù)據(jù)取1個(gè)平均值的處理,結(jié)果為對(duì)應(yīng)顏色的粗實(shí)線。

圖4 切削速度為8 000 m/min時(shí)3種刀具的切削力

總體來看,陶瓷刀具的切削力最大,PCBN刀具次之,硬質(zhì)合金刀具切削力最小。在前0.01 s內(nèi)為切削力快速提升的階段,可以看到PCBN刀具切削力增加最快,但最大值較小。并且在0.01 s附近出現(xiàn)了先小幅下降再增大的現(xiàn)象,這可能是刀具磨損造成的[15]。硬質(zhì)合金在該階段增加趨勢(shì)與陶瓷刀具基本一致,但最大值要小于陶瓷刀具。硬質(zhì)合金、PCBN和陶瓷刀具的最大切削力分別為232.6、219.6和264.8 N。硬質(zhì)合金刀具切削力在0.012～0.020 s之間迅速降低,這應(yīng)該是刀具嚴(yán)重磨損造成的[16]。隨后切削力出現(xiàn)大幅度的波動(dòng),甚至出現(xiàn)了負(fù)值,波動(dòng)范圍在±140 N之間。此時(shí),刀具后刀面出現(xiàn)大面積的磨損,后刀面與工件表面大面積接觸并發(fā)生摩擦、擠壓造成切削力大幅波動(dòng)。PCBN和陶瓷刀具在達(dá)到最大切削力后,切削力緩慢下降,并且切削力波動(dòng)幅度較小,說明刀具磨損沒有硬質(zhì)合金刀具這么大。切削力波動(dòng)幅度大小能夠在一定程度上反應(yīng)刀具的磨損程度[17],從波動(dòng)幅度來看,硬質(zhì)合金磨損最大,PCBN次之,陶瓷刀具磨損最小。

2.3 刀具磨損

由于刀具磨損程度不同,在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)磨損程度進(jìn)行了分段切削,表2為3種刀具分段切削長度。

表2 3種刀具最終切削長度

使用超景深顯微鏡對(duì)刀具磨損情況進(jìn)行觀察。圖5為3種刀具切削3.75 m后刀面的磨損情況。整體來看,硬質(zhì)合金刀具磨損最嚴(yán)重,前刀面(圖5(a))出現(xiàn)明顯的缺口,后刀面(圖5(d))磨粒磨損嚴(yán)重,磨損寬度超過后刀面寬度的1/2。PCBN刀具的磨損要明顯好于硬質(zhì)合金刀具,前刀面(圖5(b))負(fù)倒棱處出現(xiàn)了明顯的月牙洼磨損[18],月牙洼窄而深。后刀面(圖5(e))也出現(xiàn)了較為明顯的磨損。陶瓷刀具表現(xiàn)最優(yōu),前、后刀面(圖5(c,f))均沒有發(fā)現(xiàn)明顯磨損。

注：(a)硬質(zhì)合金刀具前刀面;(b)PCBN刀具前刀面;(c)陶瓷刀具前刀面;(d),(e),(f)為對(duì)應(yīng)后刀面。

隨后使用新的PCBN和陶瓷刀具進(jìn)行切削長度為11.25 m的切削實(shí)驗(yàn),磨損情況如圖6所示。圖6(a)為PCBN刀具前刀面,可以清楚的看到發(fā)生了月牙洼磨損,月牙洼較深,寬度較窄且均勻。后刀面(圖6(c))出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的磨粒磨損。圖6(b)為陶瓷刀具前刀面,沒有發(fā)現(xiàn)磨損,后刀面(圖6(d))則出現(xiàn)了輕微的磨粒磨損。

注：(a)PCBN刀具前刀面;(b)陶瓷刀具前刀面;(c),(d)為對(duì)應(yīng)后刀面。

從圖6可以看出陶瓷刀具的表現(xiàn)明顯更優(yōu),因此對(duì)陶瓷刀具進(jìn)行了更長距離的切削實(shí)驗(yàn),觀察陶瓷刀具的耐磨情況。圖7展示了陶瓷刀具分別切削22.50和45.00 m時(shí)的前、后刀面磨損情況。從圖7(a,b)可以看出,前刀面基本沒有發(fā)生磨損,在切削刃處存在少量黏附的工件材料。圖7(c,d)則表明隨切削長度的增加后刀面的磨損寬度有所增加,磨損程度也進(jìn)一步增加。

注：(a)切削22.50 m前刀面;(b)切削45.00 m前刀面;(c),(d)為對(duì)應(yīng)后刀面。

對(duì)3種刀具切削不同長度后的后刀面磨損寬度進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖8所示。在相同切削長度下硬質(zhì)合金刀具表現(xiàn)最差,PCBN刀具次之,陶瓷刀具最好。硬質(zhì)合金刀具后刀面磨損寬度最大,最大值為2.43 mm,因此該刀具不適合純鐵的高速脆性加工[19]。PCBN刀具磨損寬度由3.75 m時(shí)的0.56 mm增加到11.25 m時(shí)的0.64 mm。而陶瓷刀具由3.75 m時(shí)的0.05 mm增加到45.00 m時(shí)的0.13 mm。從切削長度來看,刀具后刀面磨損寬度隨切削長度的增加而增大。

圖8 8 000 m/min速度下切削不同長度后刀面磨損寬度

通過SEM進(jìn)一步觀察3種刀具的磨損情況,并對(duì)其進(jìn)行分析。圖9展示了硬質(zhì)合金刀具切削3.75 m時(shí)前、后刀面磨損情況。圖9(a)顯示,硬質(zhì)合金刀具原有的切削刃已經(jīng)消失。在前刀面邊緣處(圖9(a))存在一些黏附的工件材料,進(jìn)一步放大后,圖9(b)顯示材料是層疊堆積在前刀面上。圖9(c)顯示,后刀面磨損十分嚴(yán)重,磨損區(qū)有大量的工件材料黏附,說明后刀面發(fā)生了明顯的黏結(jié)磨損。在后刀面邊緣(圖9(c))也黏附一些材料,并在磨損區(qū)出現(xiàn)了少量劃痕(圖9(d))。

注：(a),(b)為前刀面;(c),(d)為后刀面。

圖10是PCBN刀具切削11.25 m時(shí)前、后刀面的磨損情況。圖10(a)顯示,前刀面出現(xiàn)了月牙洼磨損,這是由于切屑從前刀面滑出時(shí)與前刀面發(fā)生摩擦引起的[20]。從圖10(a)中可以看到,磨損區(qū)存在明顯的縱向劃痕。且在靠近切削刃處磨損較深,形成一個(gè)橫向的溝槽,在遠(yuǎn)離切削刃的地方磨損較淺。在磨損區(qū)靠近切削刃的地方(圖10(b))存在大量表面光滑的附著物,附著物形態(tài)各異,表面較為圓潤,像是高溫熔化后形成的[21]。在溝槽底部(圖10(c))能夠看到一些薄片狀的材料,像是脆性斷裂形成的切屑。通過進(jìn)一步放大,圖10(d)顯示薄片表面平整,邊界鋒利,沒有發(fā)生變形。說明材料發(fā)生了脆性斷裂[22],一部分脆性斷裂形成的切屑被存儲(chǔ)在磨損的溝槽中。后刀面(圖10(e))磨損情況明顯好于硬質(zhì)合金刀具。放大后(圖10(e))發(fā)現(xiàn)后刀面存在一些類似圖10(b)所示的附著物,大量的材料附著在后刀面上,使刀具發(fā)生了黏結(jié)磨損,導(dǎo)致刀具磨損加劇。并且在左側(cè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)了如圖10(f)所示的工件黏結(jié),黏結(jié)后的表面較為平整。在工件黏結(jié)處還有一道微裂紋穿過,而在圖10(f)左側(cè)則存在大量縱向劃痕。

注：(a),(b),(c),(d)為前刀面;(e),(f)為后刀面。

圖11展示了陶瓷刀具切削11.25 m時(shí)前、后刀面磨損情況。圖11(a)顯示前刀面沒有明顯的磨損,在距離切削刃約80 μm處存在一些縱向劃痕和一些小月牙洼,說明在前刀面發(fā)生了磨粒磨損。同時(shí)還存在一些縱向的微裂紋,裂紋中間寬,兩頭窄。說明裂紋開始于磨損較為嚴(yán)重的中間區(qū)域,然后向切削刃擴(kuò)展。由圖11(b)可以看到,裂紋終止于距離切削刃約10 μm處。圖11(c,d)顯示,后刀面也出現(xiàn)了輕微的磨損。在圖11(c)所示區(qū)域還出現(xiàn)了大塊的工件材料黏結(jié)在后刀面上。黏結(jié)材料表面平整,并有大量縱橫交錯(cuò)的龜裂紋。在后刀面(圖11(d))也發(fā)現(xiàn)了類似前刀面的微裂紋,但裂紋長度明顯短于前刀面的,且數(shù)量較少。同樣,裂紋也終止于距離切削刃約10 μm處。

注：(a),(b)為前刀面;(c),(d)為后刀面。

2.4 加工表面質(zhì)量

2.4.1 加工表面形貌

通過電火花線切割機(jī)從圓盤上切割下一小塊,在超景深顯微鏡下觀察加工表面形貌。圖12為不同刀具切削純鐵后的已加工表面形貌。根據(jù)表2和圖6,硬質(zhì)合金刀具在切削3.75 m后,磨損十分嚴(yán)重,因此沒有進(jìn)行更長距離的切削實(shí)驗(yàn)。圖12(a,b)為切削3.75 m后的加工表面。為了方便對(duì)比不同刀具對(duì)加工表面質(zhì)量的影響[23],PCBN和陶瓷刀具的加工表面為切削11.25 m后獲取的。圖12(a)可以看出加工表面質(zhì)量很差,在左側(cè)邊緣加工表面呈弧形(圖12(b)),在中間和右側(cè)出現(xiàn)了兩條暗紋,加工表面波動(dòng)較大。圖12(c)顯示PCBN刀具的加工表面明顯好于硬質(zhì)合金刀具,表面豎條紋均勻,表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯波動(dòng),平整度較好。從圖12(d)可以看出PCBN刀具的加工表面也存在一些缺陷,在左側(cè)出現(xiàn)一條斷續(xù)的條紋,在右側(cè)也出現(xiàn)一條暗紋。暗紋顯示此處有一條較深的溝槽,這是后刀面(圖6(c))磨損較為嚴(yán)重導(dǎo)致的。圖12(e)所示加工表面與圖12(c)相似,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷。將放大倍率進(jìn)一步調(diào)大后發(fā)現(xiàn)在圖12(f)左右兩側(cè)也存在一條暗帶,但相對(duì)于圖12(d)來說相對(duì)較輕。

通過SEM對(duì)加工表面進(jìn)一步觀察。圖13是硬質(zhì)合金刀具加工后的工件表面,圖13(a)顯示在工件邊緣存在明顯的劣化。圖13(b)中存在一個(gè)大的溝槽,部分溝槽被側(cè)向擠壓的工件材料蓋住。在中間部分有一塊深色的熔化后的材料黏附在加工表面,這是高溫熔化的工件材料被氧化后形成的[24]。在圖片右側(cè)存在一些劃痕。將其進(jìn)一步放大可以看到表面存在一些微孔洞(圖13(c)),孔洞沒有明顯被拉長的痕跡。

圖14為PCBN刀具加工后的工件表面。圖14(a)顯示,加工表面較為平整,沒有看到明顯的缺陷。將其放大后發(fā)現(xiàn)僅有一些縱向劃痕(圖14(b)),進(jìn)一步放大能夠看到一些小的溝槽和側(cè)向流動(dòng)[25](圖14(c))。

注：(a)加工工件表面;(b)為(a)的局部放大圖;(c)為(b)的局部放大圖。

圖15展示了陶瓷刀具加工后的工件表面。圖15(a)顯示,加工后的表面質(zhì)量較高。但在右側(cè)存在一些缺陷,經(jīng)放大后發(fā)現(xiàn)存在大量的孔洞,孔洞沒有被拉長或變形(圖15(b))。進(jìn)一步放大后,圖15(c)中所示孔洞中存在一個(gè)小的凹坑?？梢钥吹桨伎拥撞亢退闹苁枪饣木Я１砻?沒有發(fā)生變形。說明此時(shí),加工表面變形深度較淺?？梢钥吹教沾傻毒呒庸ず蟮谋砻嬗赑CBN刀具相比,沒有較大的塑性變形。劃痕側(cè)向流動(dòng)很小,孔洞的邊緣也沒有韌性撕裂的痕跡。說明陶瓷刀具在8 000 m/min時(shí)脆性加工純鐵的性能要好于PCBN和硬質(zhì)合金刀具。

2.4.2 粗糙度

使用白光干涉儀對(duì)加工表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)工件選4個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量,并取平均值,結(jié)果如圖16所示?？傮w來看硬質(zhì)合金刀具切削3.75 m的加工表面最差,選取的4個(gè)區(qū)域粗糙度Ra值均大于1 μm。PCBN切削11.25 m的加工表面要好于硬質(zhì)合金的,其粗糙度Ra在0.7～0.9 μm之間。陶瓷刀具表現(xiàn)最優(yōu),與PCBN切削相同距離的情況下粗糙度低至0.3 μm。硬質(zhì)合金、PCBN和陶瓷刀具的已加工表面粗糙度平均值分別為1.104、0.793和0.358 μm。

注：硬質(zhì)合金切削3.75 m;PCBN和陶瓷刀具切削11.25 m。

2.4.3 加工硬化

在金屬切削過程中,刀具后刀面和加工表面接觸的第三變形區(qū),刀尖半徑和后刀面會(huì)對(duì)加工表面產(chǎn)生擠壓和摩擦[26]。對(duì)于純鐵這種塑性較好的材料,刀具的擠壓會(huì)使加工表面的材料被拉長,壓扁。摩擦也會(huì)使材料溫度更高,材料軟化,塑性進(jìn)一步提高。同樣,摩擦還會(huì)使加工表面出現(xiàn)細(xì)小的溝槽,擠壓和高溫軟化會(huì)使材料發(fā)生側(cè)向流動(dòng)變形。純鐵材料的這種變形會(huì)使加工表面發(fā)生加工硬化,表現(xiàn)為表層硬度明顯增加[27]。

采用顯微硬度儀測(cè)量3種刀具加工的工件表層顯微硬度,結(jié)果如圖17所示。整體來看硬質(zhì)合金和PCBN刀具加工后的表面硬度較高,陶瓷刀具加工后的表面較低。硬度沿加工表面深度方向逐漸降低,在250 μm的深度時(shí),3個(gè)工件硬度都接近基體硬度值153 Hv。

圖17 工件表層顯微硬度

圖18為不同刀具的加工表面硬化層深度。硬質(zhì)合金刀具加工表面的硬化層深度為175 μm,要小于PCBN刀具的250 μm。這可能是硬質(zhì)合金刀具加工后的表面邊緣是曲面,硬化深度是從表面邊緣開始計(jì)算,使得結(jié)果要小于從加工表面中間高度計(jì)算的結(jié)果。陶瓷刀具加工后的表面硬化層深度為150 μm,是3種刀具中最小的。同時(shí),陶瓷刀具還有更好的耐磨性,更高的加工表面質(zhì)量。因此,陶瓷刀具更加適合純鐵的脆性切削。

圖18 不同刀具加工后的表面硬化層深度

3 結(jié) 論

本文選擇硬質(zhì)合金、PCBN、陶瓷3種材料刀具,在8 000 m/min速度下對(duì)純鐵進(jìn)行了高速脆性切削實(shí)驗(yàn),通過分析刀具磨損、已加工表面質(zhì)量和切削力等要素評(píng)價(jià)3種刀具的切削性能,為高速脆性切削純鐵刀具優(yōu)選提供參考。結(jié)論如下：

(1)切削線速度為8 000 m/min時(shí),切削實(shí)現(xiàn)了純鐵的脆性切削,切屑形態(tài)為脆性斷裂形成的碎屑,其尺寸范圍為300～1 000 μm。

(2)在8 000 m/min速度下切削純鐵,陶瓷刀具耐磨損性能最好。即使在切削45 m長度的情況下,前刀面也沒有出現(xiàn)明顯磨損,后刀面出現(xiàn)了輕微磨粒磨損。PCBN刀具后刀面磨粒磨損明顯,且前刀面出現(xiàn)了月牙洼磨損。硬質(zhì)合金刀具表現(xiàn)最差,前后刀面磨粒磨損十分嚴(yán)重。

(3)工件已加工表面質(zhì)量與刀具磨損表現(xiàn)基本一致。陶瓷刀具的加工表面光潔度高,粗糙度小。從表層顯微硬度結(jié)果來看,陶瓷刀具的加工表面的加工硬化程度較輕,硬化層深度較淺。

(4)陶瓷刀具切削力大于硬質(zhì)合金和PCBN刀具,且切削力波動(dòng)幅度小,加工過程更平穩(wěn),有利于精加工的實(shí)現(xiàn)。