不同刀具硬銑削3Cr13Cu不銹鋼的切屑形態(tài)及磨損性能

邱新義，李鵬南，唐思文，舒宜寶

(湖南科技大學(xué) 1. 機(jī)電工程學(xué)院； 2. 先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心， 湘潭 411201)

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不同刀具硬銑削3Cr13Cu不銹鋼的切屑形態(tài)及磨損性能

邱新義1，李鵬南1，唐思文2，舒宜寶1

(湖南科技大學(xué) 1. 機(jī)電工程學(xué)院； 2. 先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心， 湘潭 411201)

摘要：采用金屬陶瓷刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具對(duì)硬度為44 HRC的淬硬3Cr13Cu不銹鋼進(jìn)行了銑削試驗(yàn)，研究了兩種刀具在不同的切削速度下銑削時(shí)形成的切屑形態(tài)和刀具前后刀面的磨損情況。結(jié)果表明：切屑形態(tài)受刀具導(dǎo)熱性能的影響，金屬陶瓷刀具導(dǎo)熱系數(shù)小，所以易于形成鋸齒形切屑；鋸齒形切屑的形成對(duì)金屬陶瓷刀具磨損有較為明顯的加速作用，鋸齒間距越小金屬陶瓷刀具前刀面磨損面積越大，而對(duì)硬質(zhì)合金刀具的磨損影響較??；同一銑削距離，金屬陶瓷刀具的后刀面磨損隨著切削速度的增加而增大，而對(duì)于硬質(zhì)合金涂層刀具，后刀面磨損量隨著切削速度的增加先減小后增大。

關(guān)鍵詞：切屑形態(tài)；金屬陶瓷刀具；硬質(zhì)合金涂層刀具；磨損性能；硬銑削

0引言

淬硬鋼具有較高的硬度，被廣泛用于制造力學(xué)性能要求較高的零件，因此其硬銑削是大家非常關(guān)注的問題[1-2]。大部分淬硬鋼在銑削過程中，容易形成鋸齒形切屑。周期性鋸齒形切屑的形成，會(huì)造成切削載荷的高頻變化，引發(fā)銑削系統(tǒng)的不均勻變動(dòng)，從而惡化工件已加工表面的質(zhì)量并降低刀具的使用壽命[3]。

陶瓷刀具在斷續(xù)銑削時(shí)，主要的失效形式是刀具破損，尤其是銑削初期破損。艾興[4]認(rèn)為破損是一種常見的隨機(jī)現(xiàn)象。許育東等[5]用金屬陶瓷刀具和YG8刀具銑削冷硬鑄鐵和不銹鋼來研究?jī)煞N刀具的磨損性能，發(fā)現(xiàn)銑削冷硬鑄鐵時(shí)金屬陶瓷刀具的壽命明顯低于YG8刀具的，而銑削不銹鋼時(shí)金屬陶瓷刀具的壽命高于YG8刀具的。李振紅[6]、石增敏[7-8]、Aslantas等[9]進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，對(duì)金屬陶瓷刀具的切削性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明刀具的失效主要是因?yàn)楹蟮睹娴哪p及崩刃所致。

目前，對(duì)硬銑削過程中陶瓷刀具和金屬陶瓷刀具的研究主要集中在切削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響方面，而對(duì)硬銑削過程中的鋸齒形切屑對(duì)刀具磨損的影響研究較少。為此，作者選用了金屬陶瓷刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具對(duì)3Cr13Cu不銹鋼進(jìn)行銑削，研究了銑削過程中切削速度對(duì)切屑形態(tài)的影響及鋸齒形切屑對(duì)刀具磨損的影響。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

工件材料為馬氏體不銹鋼3Cr13Cu，硬度為44 HRC，物理性能如表1所示。

表1　3Cr13Cu不銹鋼的物理性能

刀盤為Coromill公司生產(chǎn)的R290通用方肩面銑刀(R290-100Q32-12L)，刀盤直徑Dc為100 mm，切削刃角Kr為90°，刃傾角12°。試驗(yàn)中使用的刀片是SANDVIK公司生產(chǎn)的型號(hào)為R290 12T308M-PM 530(簡(jiǎn)稱530)的碳化鈦(TiC)+氮化鈦(TiN)金屬陶瓷刀具，硬度80～92 HRC，另一種刀片型號(hào)為R290 12T308M-PM 1030(簡(jiǎn)稱1030)，是碳化鎢(WC)硬質(zhì)合金物理化學(xué)氣相沉積涂層刀具(涂層TiCN+TiN)，硬度69～81 HRC。刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)的大到小順序?yàn)椋篧C基硬質(zhì)合金、TiC(N)基金屬陶瓷[4]。530刀片的表面粗糙度Ra為3.2 μm，1030刀片的表面粗糙度Ra為4.3 μm。

采用上述兩種刀片進(jìn)行銑削試驗(yàn)，銑削過程中每次只安裝一個(gè)刀片，進(jìn)給量(f)為0.1 mm·r-1，軸向銑削深度(ap)為0.3 mm，銑削速度(v)分別為110，140，170，200，230，260，290 m·min-1。銑削方式為平面對(duì)稱銑削，銑削過程不使用切削液。

銑削完一個(gè)完整的3Cr13Cu不銹鋼工件表面后，用KEYENCE VHX-500FE型超景深顯微鏡觀察切屑自由表面形貌和刀具前后刀面的形貌，并測(cè)量刀具的后刀面最大磨損量Vmax。鋸齒間距L如圖1(b)中所示，測(cè)量5個(gè)鋸齒間距取其平均值。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　切屑形態(tài)

圖1　不同切削速度時(shí)金屬陶瓷刀片銑削后切屑的形態(tài)Fig.1　Chip formation after milled with the cermet tool at different cutting speeds

由圖1可知，用530刀片銑削，當(dāng)切削速度為110 m·min-1時(shí),切屑自由表面沒有出現(xiàn)鋸齒形貌，而在大于140 m·min-1后出現(xiàn)了鋸齒形貌。在具有鋸齒形貌的切屑自由表面，隨著切削速度的增大，同一長(zhǎng)度的切屑自由表面鋸齒數(shù)量增加。因此金屬陶瓷刀具銑削時(shí)形成鋸齒形切屑的臨界速度為140 m·min-1。 由圖2可知，用1030刀片銑削，在切削速度為110～140 m·min-1時(shí),切屑自由表面沒有出現(xiàn)鋸齒形貌，而當(dāng)切削速度大于170 m·min-1后出現(xiàn)了鋸齒形貌。因此硬質(zhì)合金涂層刀具銑削時(shí)形成鋸齒形切屑的臨界速度為170 m·min-1。

雖然銑削中所使用的530和1030刀片的幾何結(jié)構(gòu)完全一樣，但1030刀片的表面粗糙度大于530刀片的，因此1030刀片與切屑接觸面上產(chǎn)生的摩擦熱大于530刀片的。而1030刀片的導(dǎo)熱系數(shù)較大，在相同的接觸時(shí)間內(nèi)，由1030刀片散失的熱量比530刀片的多。切削溫度高，使切屑更容易發(fā)生熱塑剪切失穩(wěn)，形成鋸齒形切屑[10]。530刀片銑削時(shí)形成鋸齒形切屑的臨界速度(140 m·min-1)小于1030刀片的臨界速度(170 m·min-1)，說明在切削速度為140 m·min-1時(shí)，530刀片銑削過程中切屑的溫度比1030刀片的高。因此，在較低的切削速度下，刀片的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)鋸齒形切屑形成的影響大于刀片表面粗糙度的影響。

圖2　不同切削速度下硬質(zhì)合金涂層刀片銑削后切屑的形態(tài)Fig.2　Chip formation after milled with the coated carbide tool at different cutting speeds

圖4　不同切削速度下金屬陶瓷刀片前刀面的磨損形貌Fig.4　Rake morphology of cermet tools non cutting (a) and cutting at different cutting speeds

由圖3可知，兩種刀片銑削3Cr13Cu不銹鋼后形成的切屑鋸齒間距(L)隨切削速度的增大而減小。其原因在于切削速度的增大使得應(yīng)變速率加大，導(dǎo)致工件材料的脆性增強(qiáng)，易于形成鋸齒形切屑，但高切削速度所導(dǎo)致的較高切削溫度使材料的脆性減弱，易于出現(xiàn)絕熱剪切變形[3]。切削速度增大，應(yīng)變速率和溫度都升高，導(dǎo)致L隨切削速度的增大而減小。

圖3　不同刀具切削形成的切屑鋸齒間距隨切削速度的變化曲線Fig.3　Variation curves of chip distance versus cutting speed

切削速度在170～260 m·min-1時(shí)，同一速度下，530刀片銑削后形成的鋸齒形切屑的鋸齒間距比1030刀片銑削后形成的小?？梢?，在切削速度小于260 m·min-1時(shí)，由于1030刀片的導(dǎo)熱系數(shù)較大，散失在切屑上的熱量大于由摩擦產(chǎn)生的熱量。當(dāng)切削速度為290 m·min-1時(shí)，530刀片銑削后形成的鋸齒形切屑的鋸齒間距比1030刀片銑削后形成的大。由此可見，在速度大于等于290 m·min-1，1030刀片散失在切屑上的熱量小于由摩擦產(chǎn)生的熱量。

2.2　刀具磨損形貌與性能

2.2.1前刀面磨損形貌

由圖4可見，切削速度大于等于140 m·min-1時(shí)，530刀片的前刀面上存在不同程度崩刃，隨著切削速度的增大前刀面的崩刃面積也增大；而小于140 m·min-1時(shí)前刀面上不存在崩刃。140 m·min-1的切削速度是金屬陶瓷刀具銑削時(shí)鋸齒形切屑形成的臨界速度，說明鋸齒形切屑的形成與金屬陶瓷刀具前刀面的磨損存在一定的關(guān)聯(lián)。鋸齒形切屑的鋸齒間距越小，前刀面的磨損面積越大。其原因在于切削速度增加，鋸齒形切屑的鋸齒間距減小，切削載荷變化頻率增加，相同銑削距離下刀具前刀面承受的沖擊次數(shù)增加，導(dǎo)致金屬陶瓷刀具前刀面的磨損面積增加。由圖4還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削速度小于等于170 m·min-1時(shí)，金屬陶瓷刀具的邊界磨損隨切削速度的增加而變得嚴(yán)重；當(dāng)切削速度超過200 m·min-1時(shí)，邊界磨損變得不明顯。在切削刃附近的前、后刀面上，壓應(yīng)力和剪應(yīng)力很大，但在與工件表面接觸處的切削刃上應(yīng)力突然下降，形成很高的應(yīng)力梯度，引起很大的剪應(yīng)力；同時(shí)，前刀面上的切削溫度最高，而與工件外表面接觸點(diǎn)由于受空氣冷卻，造成很高的溫度梯度，也引起很大的剪應(yīng)力，最終導(dǎo)致切削刃上的邊界磨損出現(xiàn)。

由圖5可見，1030刀片的前刀面磨損集中在切削刃部分，且月牙洼磨損并不明顯，主要表現(xiàn)出溝槽磨損。月牙洼不明顯的原因是1030刀片表面涂層的阻礙和較高的切削速度。1030刀具銑削3Cr13Cu不銹鋼時(shí)，鋸齒形切屑形成的臨界速度為170 m·min-1，在臨界速度的前后1030刀片的前刀面并沒有出現(xiàn)不同的磨損形貌。當(dāng)切削速度大于等于230 m·min-1時(shí)，有些許切屑粘結(jié)在前刀面上，這是由于切削溫度較高而導(dǎo)致的。隨著切削速度的增加，邊界磨損逐漸變得嚴(yán)重(去除的刀具材料的體積增加)，當(dāng)切削速度達(dá)到200 m·min-1時(shí)，1030刀片的邊界磨損最為嚴(yán)重。切削速度小于200 m·min-1時(shí)，隨著速度的增加，切削溫度升高，導(dǎo)致刀具表層的材料軟化，使得切屑從前刀面流過時(shí)容易將切削刃上的材料帶走產(chǎn)生刀具磨損；同時(shí)，切削溫度的升高，導(dǎo)致刀具與工件接觸的邊界區(qū)域、未接觸部分與接觸部分的溫度梯度增加，更容易產(chǎn)生邊界磨損[11]。在切削速度大于200 m·min-1時(shí)，切屑帶走的熱量多，切削溫度較高，切屑較軟，刀具的磨損較輕。說明在較高的切削速度下，切削溫度較高，涂層對(duì)刀具有較好的保護(hù)作用。

從圖4和圖5上還可以看到刀片的前刀面不平整，存在一道道溝痕，這是工件基體組織中的雜質(zhì)或切削中形成的碎屑等硬質(zhì)顆粒，在切削過程中進(jìn)入切削區(qū)，將刀片表面劃傷造成的[12]。兩種刀具的前刀面都存在顆粒磨損，且1030刀片顆粒磨損更為嚴(yán)重，主要是因?yàn)橛操|(zhì)合金涂層刀片的硬度較低，硬質(zhì)顆粒更容易將刀片上的材料帶走所致。

從兩種刀具切削后的前刀面形貌可以知道，鋸齒形切屑的形成加劇了金屬陶瓷刀具的磨損，對(duì)硬質(zhì)合金刀具磨損的影響較小。530刀片的前刀面磨損形貌主要是崩刃，而1030刀片的前刀面磨損形式主要是溝槽磨損。530刀片不適合在沖擊載荷變化頻繁的環(huán)境下使用，1030刀片不適合在較低的切削速度下使用。

2.2.2后刀面磨損形貌

由圖6可見，當(dāng)切削速度為140 m·min-1時(shí)，530刀片出現(xiàn)了微崩刃，而1030刀片是正常的磨損。

圖5　不同切削速度下硬質(zhì)合金涂層刀片前刀面的磨損形貌Fig.5　Rake morphology of coated carbide tools non cutting (a) and cutting at different cutting speeds

圖6　切削速度為140 m·min-1時(shí)不同刀片后刀面的磨損形貌Fig.6　Flank morphology of different tools at 140 m·min-1: (a) 530 tool and (b) 1030 tool

圖7　兩種刀片后刀面磨損量隨切削速度的變化曲線Fig.7　Variation curves of flank wear loss versus cutting speed

由圖7可知，530刀片的后刀面最大磨損量隨著切削速度的增加而增大；而1030刀片的后刀面最大磨損量隨著切削速度的增加先減小后增大，在切削速度為230 m·min-1時(shí)，刀具的磨損最小。在1030刀片銑削過程中切削速度小于230 m·min-1時(shí)，切削速度的提高，使得切削溫度升高，工件材料和切屑變軟，從而使得切屑變形系數(shù)減小，導(dǎo)致切削力減小，刀具磨損減小；切削速度大于230 m·min-1時(shí)，高的切削速度帶來過高的切削溫度，軟化了工件材料，增加了刀具與已加工表面的粘著現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具磨損增大。由此可見，530刀片適合在較低的切削速度下使用，速度不超過200 m·min-1；而1030刀片適合在切削速度為230 m·min-1左右使用。

3結(jié)論

(1) 金屬陶瓷刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具銑削3Cr13Cu不銹鋼的過程中，鋸齒形切屑形成的臨界切削速度分別為140 m·min-1和170 m·min-1。

(2) 鋸齒形切屑的形成與刀具的導(dǎo)熱性能有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，在銑削過程中越容易形成鋸齒形切屑。

(3) 鋸齒形切屑的形成對(duì)金屬陶瓷刀具磨損有

較為明顯的加速作用，鋸齒間距越小，刀具前刀面的崩刃越嚴(yán)重，而對(duì)硬質(zhì)合金刀具的磨損影響較小;金屬陶瓷刀具前刀面的磨損形式主要是崩刃，而硬質(zhì)合金涂層刀具前刀面的磨損形式主要是溝槽磨損。

(4) 同一銑削距離下，金屬陶瓷刀具的后刀面磨損量隨著切削速度的增加而增加；而硬質(zhì)合金涂層刀具后刀面磨損量隨著切削速度的增加先減小后增大，并且在切削速度為230 m·min-1時(shí)達(dá)到最小值。

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Chip Morphology and Tool Wear Properties in Hard Milling 3Cr13Cu

Stainless Steel with Different Kind of Tools

QIU Xin-yi1, LI Peng-nan1, TANG Si-wen2, SHU Yi-bao1

(1. College of Electromechanical Engineering；2. Engineering Research Center of Advanced Mining Equipment,

Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Abstract:The 3Cr13Cu stainless steel at 44 HRC was milled using the cermet cutting tool and coated carbide cutting tool respectively. The chip morphologies and wear of the two types of tools when milling at various cutting speeds were investigated. The results show that chip shape was affected by the tool thermal conductivity, the smaller thermal conductivity, the easier to form serrated chip. The formation of serrated chip caused a more significant destruction of the cermet cutting tool, and less impact on the coated carbide tool failure. The smaller the saw-tooth pitch is, the larger the breakage area of the tool rake face is. At the same milling distance, the flank wear of the cermet tool increased with cutting speed increase, while that of the coated carbide tool first decreased, then increased with increase of the cutting speed.

Key words:chip morphology; cermet tool; coated carbide tool; wear property; hard milling

中圖分類號(hào)：TG501.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)10-0061-05

作者簡(jiǎn)介：邱新義(1987-),男，湖南寧鄉(xiāng)人，助理研究員，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275168,51305134);國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012ZX04003-051)

收稿日期:2014-08-18；

修訂日期:2015-01-19

DOI:10.11973/jxgccl201510014

導(dǎo)師:李鵬南教授