硬質(zhì)合金刀具車削Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的試驗研究*

周建濤 鄧建新 張 輝 顏 培

(山東大學(xué)機械工程學(xué)院，山東濟南250061)

Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼是我國自行研制的一種半奧氏體沉淀硬化不銹鋼(硬度＞45 HRC，抗拉強度＞1114 MPa)，屬于超高強度鋼系列。由于Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼是介于馬氏體沉淀硬化不銹鋼與奧氏體沉淀硬化不銹鋼之間的一種過渡型沉淀硬化不銹鋼，所以它不僅具有馬氏體沉淀硬化不銹鋼的超高強度，又具有奧氏體沉淀硬化不銹鋼的高韌性。目前，廣泛用于制造飛機上要求高壓力、高密封性、高疲勞強度和強防腐蝕能力的零部件。

目前，國內(nèi)外對Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的研究大多還都集中在其材料性能方面。國內(nèi)學(xué)者郭永良［1～3］等人對 Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的材料性能進(jìn)行了大量的研究，而對其切削加工性能的研究還尚未見到過報道。

硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用相當(dāng)廣泛，既可以用于加工各種鑄鐵、有色金屬和非金屬材料，也適用于加工各種鋼材和耐熱合金等。硬質(zhì)合金既可用于制造各種機夾可轉(zhuǎn)位刀具和焊接刀具，也可制造各種尺寸較小的整體復(fù)雜刀具，如整體立銑刀、鉸刀、鉆頭、復(fù)合孔加工刀具和滾齒刀等［4］。因此，硬質(zhì)合金是目前在切削高強度鋼、超高強度鋼中用得很多而且是最主要的刀具材料［5］。

為此，本文采用硬質(zhì)合金刀具材料進(jìn)行干車削加工Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的試驗，通過對車削力及刀具磨損進(jìn)行觀察分析，以期為切削加工Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼提供理論指導(dǎo)和試驗依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備

CA6140型普通車床，SDC-C3M19切削測力儀，工具顯微鏡，TR200手持式表面粗糙度儀，掃描電子顯微鏡(SEM)。

1.2 試驗方法

采用單因素法進(jìn)行Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的干車削試驗，即在CA6140車床上，使用株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的硬質(zhì)合金車刀片YW2，配合4K16A型號車刀刀桿，在不同速度下對Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼進(jìn)行車削實驗，不使用切削液，車削路程L=1000 m。試驗過程中，使用SDC-C3M19切削測力儀采集切向、軸向和徑向車削力;分別在車削路程L=1000 m時，使用工具顯微鏡觀察前、后刀面的磨損情況，并測量記錄刀具的后刀面的磨損量，使用TR200手持式粗糙度儀測量已加工表面的粗糙度。試驗結(jié)束后，首先將刀片進(jìn)行超聲清洗，然后采用掃描電子顯微鏡(SEM)對刀具的前、后刀面進(jìn)行整體磨損形貌的觀察分析。

1.3 試驗材料

Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼棒料，直徑為58 mm，長度為100 mm;硬質(zhì)合金刀具YW2，型號為:41605A。其中，工件材料Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的主要成分為:12%Cr，5%Mn，4%Ni，3%Mo，1%Al，小于 0.08%C，少量Si、P等元素，其余為Fe;試驗中所使用的硬質(zhì)合金刀具 YW2的主要成分為:82%WC，6%TiC，8%Co，4%TaC(NbC)。

1.4 試驗參數(shù)

v=60、80、100、120 m/min，ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r。

2 結(jié)果與討論

2.1 車削力分析

圖1所示為使用硬質(zhì)合金刀具YW2車削Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼時，在 ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r不變的條件下，車削三向力隨車削速度變化的曲線圖。分析圖1可以看出，車削三向力的大小順序為:徑向力＞切向力＞軸向力，這主要是因為切削刃鈍圓半徑的大小決定后刀面上正壓力的大小，也就直接影響著徑向力的大小。由于影響徑向力的切削刃鈍圓半徑是一固定值，所以當(dāng)決定主切削力大小的切削用量減小到一定程度時，就會出現(xiàn)徑向力大于主切削力的現(xiàn)象［6］;并且，隨著車削速度的提高，切向力、軸向力和徑向力都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，這主要是由于切削開始初期時，切削速度較低，在刀具的前刀面形成了積屑瘤(如圖2所示)，導(dǎo)致刀具的前角變大，進(jìn)而引起切削力變小。隨著切削速度的提高，積屑瘤又逐漸消失，但是Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼加工硬化傾向嚴(yán)重［7］，導(dǎo)致切削力又開始呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

2.2 表面粗糙度分析

圖3所示為使用硬質(zhì)合金刀具YW2車削Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼時，在 ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r不變的條件下，已加工表面粗糙度隨車削速度變化的曲線圖。分析圖3可以看出:隨著車削速度的提高，已加工表面粗糙度值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并且當(dāng)v=80 m/min時，表面粗糙度值最大。這主要是由于當(dāng)車削速度較低時，在刀具的前刀面形成了積屑瘤，積屑瘤形成后，便相當(dāng)穩(wěn)定地冷焊在前刀面上，包裹著切削刃，代替切削刃切削，而且積屑瘤伸出切削刃之外，增大了切削厚度，但是，切削刃上不同位置的點，積屑瘤的伸出量是不一致的，所以，積屑瘤前端代替切削刃切削出的表面也是不平整的［8］，也即引起已加工表面粗糙度值的增大;然后，隨著車削速度的提高，積屑瘤逐漸消失后，已加工表面粗糙度值又開始逐漸減小。

2.3 刀具磨損分析

圖4所示為使用硬質(zhì)合金刀具YW2車削Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼時，在 ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r的條件下，硬質(zhì)合金刀具的后刀面磨損量隨著車削速度變化的曲線圖。圖5所示為使用硬質(zhì)合金刀具YW2車削 Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼，當(dāng) ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r時，在不同的速度(v=80、100、120 m/min)條件下，硬質(zhì)合金刀具磨損的SEM照片。

分析圖2、4及5可以看出:在整個車削過程中，不同的速度(v=60、80、100、120 m/min)條件下，硬質(zhì)合金刀具的后刀面的磨損均比較輕微。此外，分析圖4的后刀面磨損變化曲線，可以看出:在ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r的條件下，YW2車削Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼的臨界車削速度值［5］為:v=80 m/min;分析圖5可以看出:隨著車削速度的提高，硬質(zhì)合金刀具前刀面的粘結(jié)材料并沒有表現(xiàn)出逐漸增多的趨勢。這主要是因為切削速度對粘結(jié)的影響比較復(fù)雜。首先，切削速度通過切削溫度影響粘附，溫度高，則粘附強烈;其次，溫度又影響接觸雙方材料的物理性能，影響硬質(zhì)合金的抗疲勞性能，因而影響粘結(jié)材料碎片的大小和密度［9］。

分析圖5a可以看出:使用硬質(zhì)合金刀具YW2干車削加工Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼(ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r，v=80 m/min)時，硬質(zhì)合金刀具前刀面出現(xiàn)了貝殼狀的剝落現(xiàn)象。這主要是因為在切屑的擠壓作用以及刀具切入、切出工件時的沖擊作用下，低速時形成的積屑瘤在脫離前刀面的同時引發(fā)切削刃附近的拉、壓應(yīng)力的交替變化［10］，導(dǎo)致在切削刃附近產(chǎn)生微裂紋，隨著切削的繼續(xù)，裂紋將不斷擴展，最終引起剝落;分析圖5b可以看出:使用硬質(zhì)合金刀具YW2干車削加工 Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼(ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r，v=100 m/min)時，刀具的前刀面表現(xiàn)出明顯的磨損現(xiàn)象。在硬質(zhì)合金刀具前刀面的刀-屑接觸區(qū)域出現(xiàn)了較明顯的劃痕現(xiàn)象(如圖6所示)，這主要是由于隨著車削速度的提高，積屑瘤逐漸消失，而殘留在前刀面的積屑瘤碎片等硬質(zhì)點，就會對前刀面造成不同程度的劃傷;此外，還可以看到在沿刀尖周圍出現(xiàn)了較嚴(yán)重的粘結(jié)現(xiàn)象(如圖6所示)。粘結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)其內(nèi)在原因主要是由于刀具材料中的Co元素和工件材料中的Fe、Ni元素同屬于鐵族元素，故彼此間的化學(xué)親和性很強;從溫度-熱力學(xué)的角度分析，刀具切入時產(chǎn)生的切削熱及溫度梯度引起的壓應(yīng)力，使刀具和切屑材料在高溫高壓下發(fā)生粘結(jié)，以致于車削過程中，在刀具的前刀面發(fā)生了較嚴(yán)重的粘結(jié)現(xiàn)象。而隨著切屑、工件材料和刀具間的不斷相對運動，刀具材料中的粘結(jié)相Co元素就會被粘結(jié)到切屑和工件材料中［11］，被切屑和工件材料帶走，從而也就會在刀具的前刀面引起粘結(jié)磨損［12］。

3 結(jié)語

(1)使用硬質(zhì)合金刀具 YW2干車削加工Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼時，在采用小進(jìn)給量和小背吃刀量切削時，出現(xiàn)了徑向力大于主切削力的現(xiàn)象;并且，在 ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r的條件下，比較合適的車削速度范圍為:80 m/min＜v＜100 m/min。

(2)使用硬質(zhì)合金刀具 YW2干車削加工Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼時，在 ap=0.1 mm，f=0.1 mm/r不變的條件下，由于低速下，在前刀面形成形狀不規(guī)則的積屑瘤，其代替切削刃進(jìn)行切削，導(dǎo)致已加工表面粗糙度值隨車削速度變化呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。

(3)在整個車削過程中，不同的速度條件下，硬質(zhì)合金刀具的后刀面的磨損均比較輕微;而在硬質(zhì)合金刀具的沿刀尖周圍均出現(xiàn)了較嚴(yán)重的粘結(jié)現(xiàn)象，在硬質(zhì)合金刀具前刀面的刀-屑接觸區(qū)域也都出現(xiàn)了較明顯的劃痕現(xiàn)象;此外，當(dāng)車削速度較低時，受積屑瘤的影響，在刀具的前刀面還出現(xiàn)了貝殼狀的剝落現(xiàn)象。

1 Guo Y.L.，Liu X.Q.，Zhang X.M.et al.EFFECT OF HEAT TREATMENT ON MECHANICAL PROPERTIES OF 0Cr12Mn5Ni4Mo3Al［J］.ACTA METALLURGICA SINICA.2004，17(2):118-121

2 郭永良，劉興秋.固溶處理溫度對0Cr12Mn5Ni4Mo3Al鋼拉-拉疲勞壽命的影響［J］.物理測試，2005，23(3):27～29

3 曹生利.0Cr12Mn5Ni4Mo3Al熱處理工藝研究:［工程碩士學(xué)位論文］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2005.

4 鄧建新，趙軍.數(shù)控刀具材料選用手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

5 韓榮第，于啟勛主編.難加工材料切削加工［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1996.

6 章錦華.精密切削理論與技術(shù)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986.

7 中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊(第1卷)［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

8 周澤華主編.金屬切削原理(第二版)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1993.

9 周澤華主編著.金屬切削理論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1992.

10 龍震海，王西彬，劉志兵.高速銑削難加工材料時硬質(zhì)合金刀具前刀面磨損機理及切削性能研究［J］.摩擦學(xué)報，2005，25(1):83～87

11 艾興等.高速切削加工技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

12 李友生，鄧建新，張輝等.高速車削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具磨損機理研究［J］.摩擦學(xué)報，2008，28(5):443～447