低溫微量潤滑高速加工300M鋼刀具磨損研究

張慧萍 王尊晶 劉國梁

摘?要：針對難加工材料300M鋼的加工性能差、刀具磨損嚴重等問題，進行了干式與低溫微量潤滑兩種加工條件下的高速銑削300M鋼刀具磨損試驗。采用超景深顯微鏡觀察了刀具的磨損形貌，通過電子掃描顯微鏡（SEM）分析了刀具的磨損機理。結果表明：PVD涂層保護刀具的效果好于無涂層刀具和CVD涂層刀具;冷風溫度為-45℃、空氣壓力為0.7MPa、油量為40mL/h時，低溫微量潤滑技術的作用效果最佳;兼顧加工質(zhì)量與加工效率時，銑削速度定為400m/min為宜;相比于干式切削，低溫微量潤滑技術能夠有效降低刀片磨粒磨損、刀片表面的粘結磨損、后刀面邊界處的氧化磨損，以及輕度的擴散磨損。

關鍵詞：300M鋼;低溫微量潤滑;高速銑削;刀具磨損

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.012

中圖分類號：?TG501

文獻標志碼：?A

文章編號：?1007-2683（2020）03-0075-08

Abstract：For?the?problem?of?poor?processing?performance?and?severe?tool?wear?of?hard-to-manufactured?material?300M?steel，?high-speed?milling?300M?steel?tool?wear?test?of?dry?and?CMQL?was?carried?out.?The?wear?morphology?of?the?tool?was?observed?with?an?ultra-deep-depth?microscope，?and?the?wear?mechanism?of?the?tool?was?analyzed?with?a?scanning?electron?microscope?（SEM）.?The?results?show?that?PVD?coatings?protect?the?tool?better?than?uncoated?and?CVD?coated?tools;?When?the?cold?air?temperature?is?-45℃，?the?air?pressure?is?0.7MPa，?and?the?oil?volume?is?40mL/h，?the?effect?of?CMQL?technology?is?the?best;?When?considering?the?processing?quality?and?processing?efficiency，?the?milling?speed?is?set?to?400m/min;?Compared?to?dry?cutting，?CMQL?technology?can?effectively?reduce?abrasive?wear?of?the?blade，?bond?wear?on?the?blade?surface，?oxidative?wear?at?the?flank?boundary，?and?mild?diffusion?wear.

Keywords：300M?steel;?CMQL;?high-speed?milling;?tool?wear

0?引?言

300M鋼是在AISI?4340鋼的基礎上添加了少量的Si、V等元素，因此力學性能更好，是現(xiàn)代制造業(yè)中最好的飛機起落架用鋼[1]。

300M鋼因其強度高、導熱系數(shù)小等因素，導致切削加工300M鋼時切削力大，切削溫度高，刀具、工件燒傷現(xiàn)象嚴重，刀具易崩刃、壽命較短等問題，嚴重制約著生產(chǎn)效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)切削中切削液雖然能有效的降低切削熱，但對環(huán)境和操作人員的健康都會造成較大的威脅[2-3]。由于干式和傳統(tǒng)加工300M鋼的效果均不理想，因此出現(xiàn)了氣流冷卻、微量潤滑等輔助技術。本文所采用的低溫微量潤滑（簡稱CMQL）技術，結合了低溫冷風和微量潤滑各自的優(yōu)點，彌補了單獨使用的不足，最終達到了延緩刀具磨損速率，降低表面粗糙度等工藝要求[4-5]。

在切削超高強度鋼的刀具磨損和CMQL技術的應用方面，學者們進行了相關研究。哈爾濱理工大學的張校雷進行了高速銑削300M鋼的刀具磨損試驗，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金涂層刀具的磨損過程依次經(jīng)過涂層脫落，硬質(zhì)合金基體材料磨損和切削刃崩刃三個階段[6]。山東理工大學的房友飛選用涂層刀具車削300M鋼時發(fā)現(xiàn)刀具主要失效原因是涂層剝落、微裂紋與崩刃[7]。湖南科技大學的吳順興通過陶瓷刀具銑削超高強度鋼得出，刀具磨損機理為磨粒磨損與粘結磨損，同時伴有擴散磨損和氧化磨損[8]。上海交通大學的An?Q.等對超高強度鋼進行了銑削試驗研究，總結出刀具失效的主要原因是涂層剝落，并發(fā)生了嚴重的氧化磨損和粘著磨損[9]。澳大利亞科廷大學的Pramanik等發(fā)現(xiàn)切削鈦合金時刀具磨損主要經(jīng)過磨損、擴散-溶解、熱裂紋和塑性變形幾個過程[10]。華南理工大學的葉邦彥等加工304不銹鋼得出結論：相比于干、濕式切削，CMQL技術中的高壓冷風可以將油霧更多的帶到刀具-工件的摩擦區(qū)域，加工效果更理想[11]。西安石油大學的李吉林對CMQL技術的霧化原理及霧化場的形成進行了有限元模擬，分析了微量潤滑機理[12]。江蘇科技大學的Su?Yu進行了五種冷卻潤滑條件（干式、壓縮空氣、微量潤滑、冷風、CMQL）的鈦合金車削試驗，發(fā)現(xiàn)CMQL降低切削溫度的效果最佳，切削速度越大，CMQL的效果越明顯[13]。土耳其阿菲永科賈泰佩大學的Ucun等采用AlCrN涂層刀具切削Inconel?718合金發(fā)現(xiàn)，低溫導致了刀具磨損增加，但降低了表面粗糙度，微量潤滑能夠增加刀具壽命[14]。西班牙巴斯克大學的Pereira等進行了CMQL與干式冷卻的試驗對比，結果表明CMQL能夠延長50%的刀具壽命并提高了30%的切削速度[15]。綜上所述，刀具磨損過快是制約高效切削的重要原因，且CMQL技術尚未成熟，對該條件下的刀具磨損分析有待深入研究。

本文進行了干式與CMQL兩種條件下的高速銑削試驗，對刀具涂層材料和CMQL工藝參數(shù)進行了優(yōu)選，揭示了刀具磨損機理，為CMQL條件下的高速銑削300M?鋼提供了依據(jù)和參考。

1?試驗條件及方案

1.1?試驗條件

工件材料：試驗選用熱處理后的300M鋼方料（工件尺寸175mm×48mm×30mm）。主要力學性能：抗拉強度1955MPa，屈服強度1650MPa，伸長率13%，硬度HRC55，其化學成分見表1。

刀具材料：試驗選用SANDVIK型號為490-080Q27-08M的可轉位面銑刀盤，最多可安裝8個方形刀片，銑削直徑80mm，最大切深5.5mm，如圖1（a）所示。試驗的刀片是SANDVIK的無涂層、物理涂層（PVD）和化學涂層（CVD）三種硬質(zhì)合金刀片，型號分別為490R-08T308M-PL?H13A，490R-08T308M-PL?1130，490R-08T308M-PL?4230，如圖1的（b）、（c）、（d）所示，其中PVD涂層材料為AlTiCrN，CVD材料為?Ti（C，N）+Al2O3+TiN的復合涂層。刀片的參數(shù)如下：刀片長度8.5mm，刀片厚度3.3mm，后角11°，刀尖圓弧半徑0.8mm。

1.2?試驗方案

進行干式與CMQL切削的對比磨損試驗，完成300M鋼的刀具涂層材料及CMQL工藝參數(shù)的優(yōu)選，銑削方式均為單齒順銑加工。CMQL工藝參數(shù)的選取范圍：冷風溫度-35℃?～?-55℃，空氣壓力0.4～0.8MPa，油量20mL/h～60mL/h。利用優(yōu)選的試驗結果進行以銑削速度為單一變量的刀具磨損試驗，具體參數(shù)如下：銑削速度vc=250～475m/min;每齒進給量fz=0.15mm/r;銑削深度ap=0.4mm;銑削寬度ae=8mm。試驗結束后采用超景深顯微鏡、掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）對磨損的刀片進行觀察分析。

2?試驗結果與分析

2.1?刀具涂層材料優(yōu)選

金屬加工過程中，涂層可以避免刀具基體材料與工件的直接接觸，對基體具有良好的保護作用，有效的降低刀具磨損速率，延長刀具失效時間，而且刀具磨損直接影響著加工表面的精度，所以考慮涂層的材料是必要的。圖2為干式加工時三種刀片的前后刀面磨損狀態(tài)，對比三者的前后刀面磨損狀態(tài)可知，無涂層銑刀片崩刃現(xiàn)象嚴重，不具有繼續(xù)加工的能力，也無法測量其后刀片磨損量（VB值），磨損狀態(tài)如圖2（a）所示。比較圖2（b）和圖2（c）的磨損狀態(tài)與VB值可知，CVD涂層刀片的前刀面輕微崩刃，后刀面崩刃較嚴重，涂層剝落現(xiàn)象較為嚴重，VB值較高，基體的裸露面積較大，說明CVD涂層強度不足，這是由于銑削加工時產(chǎn)生的高溫會增大鋼體的回彈性，在銑削這種斷續(xù)加工狀態(tài)下，對涂層的強度和韌性的要求更高，而PVD涂層刀片僅僅出現(xiàn)了輕微的月牙洼磨損，與基體的結合力高于CVD涂層，因此PVD涂層是綜合性能較為優(yōu)良的材質(zhì)。

2.2?CMQL工藝參數(shù)優(yōu)選

圖3為干式與CMQL兩種切削條件的刀具磨損曲線，其中CMQL工藝參數(shù)取值：冷風溫度為-45℃、空氣壓力為0.5MPa、油量為30mL/h，切削參數(shù)為vc=400m/min，fz=0.15mm/r，ap=0.4mm，ae=8mm，切削長度L=1050mm。根據(jù)測得的后刀面磨損量VB值可知，CMQL技術的冷卻潤滑效果較好，能夠有效的降低刀具磨損量。

CMQL技術的工藝參數(shù)中，冷風溫度、空氣壓力和油量供給對刀具的磨損趨勢均有顯著影響，圖4（a）為冷風溫度對刀具后刀面磨損量VB值的影響，由曲線趨勢可知，當冷風溫度較高時，刀具在斷續(xù)的高強度沖擊作用下無法保持最佳的冷卻效果，相反冷風溫度過低，則會減弱潤滑油的潤滑性能，同時高溫的刀具在冷氣作用下極容易產(chǎn)生裂紋，基體強度減弱，故磨損量增加。空氣壓力亦是影響CMQL技術的重要因素，作用效果如圖4（b）所示，空氣壓力增加時，微量的潤滑油霧可以被更多的帶入到加工區(qū)域，油量供給不會被高速旋轉的刀具阻斷，潤滑區(qū)域更廣。當空氣壓力增加到0.8MPa時，潤滑油膜無法繼續(xù)附著在刀具與工件之間的縫隙處，故刀具磨損量增加。根據(jù)圖4（c）可知，油量供給量并不是越多越好，存在一個潤滑效果最佳的中間值。圖5為工件與刀具的接觸縫隙示意圖，當油量小或油位不超過A層時，油膜很薄，無法自由流動，切削狀態(tài)為干摩擦;供給的油量厚度介于A與C層之間時，此時接觸摩擦只發(fā)生在峰頂處，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，即使油膜被破壞，B層的油量會借助其本身的自由能迅速補充到峰頂處，使之恢復到邊界潤滑的恒定狀態(tài)，進而達到最佳的潤滑效果。油量過多超過C層，即刀具-工件表面的接觸點，摩擦系數(shù)就無法保持穩(wěn)態(tài)。

綜上所述，CMQL較為理想的工藝參數(shù)如下：冷風溫度-45℃，空氣壓力0.7MPa，油量40mL/h。

2.3?不同銑削速度下的刀具磨損特性

根據(jù)大量文獻可知，銑削速度對刀具磨損的影響最為顯著，所以針對工件材料特性，著重考慮銑削速度的選取范圍，保證試驗可行性的同時也滿足高速切削的要求。采用優(yōu)選的CMQL工藝參數(shù)，以銑削速度為單一變量的刀具磨損試驗結果如圖6所示，通過走勢圖的分析，vc=250m/min時的刀具磨損量較小，當切削速度較低時，具有相當高的刀具壽命，但相對低的切削速度使其加工效率較低，故在實際加工中應適當提高銑削速度。當銑削速度過高時，由于刀具參與高頻率的接觸摩擦，強度與疲勞韌性迅速降低，刀具表面受到拉應力和熱應力的作用加大，致使刀具涂層性能降低，直接進入劇烈磨損階段，磨損量急劇增加，嚴重時會發(fā)生破損、崩刃等現(xiàn)象，降低刀具壽命，如圖7所示。一旦發(fā)生崩刃或破損，刀具就會迅速報廢，同時影響加工質(zhì)量。兼顧加工效率與加工質(zhì)量，vc取值為400m/min較為適宜。

如圖8所示，對比前刀面磨損形貌可以發(fā)現(xiàn)，不同速度下均發(fā)生了月牙洼磨損，相比與干式切削，CMQL技術能夠有效的減弱月牙洼磨損現(xiàn)象，保證切削刃的強度，月牙洼磨損區(qū)域隨銑削速度增加而增大。

2.4?磨損機理分析

2.4.1?磨粒磨損

對磨損的刀片進行SEM形貌觀察，發(fā)現(xiàn)其表面不平整，存在凹坑和溝槽，屬于磨粒磨損表征。這是由于加工時的高溫與外界低溫頻繁交替，導致刀具表面硬度降低，同時300M鋼中的Mo2C，V2C，SiC等較硬的化合物與被軟化的刀具表面不斷相互作用、擠壓摩擦最終產(chǎn)生劃痕。比較圖9（a）和（b）發(fā)現(xiàn)：使用CMQL技術能夠減少刀具表面的凹坑與劃痕，有效改善了磨粒磨損狀況，對刀具起到了一定的保護作用。

2.4.2?氧化磨損

傳統(tǒng)銑削300M鋼時，刀具—工件摩擦區(qū)域會與周圍的介質(zhì)（如空氣中的氧，切削液中的微量元素）發(fā)生化學作用，刀具材料中C、W、Co等元素極容易發(fā)生氧化反應并生成新的化合物WO3、CO等，當化合物被帶走時，刀具再次發(fā)生氧化反應，在切削過程中，伴隨著這種剝落-再生-剝落的過程，加劇了刀具的氧化磨損，通過EDS分析可知刀具表層大量氧原子的存在可以側面反映氧化物的含量，如圖10（a）和10（b）所示，A點處氧原子百分數(shù)為26.87%，后刀面氧化情況非常嚴重且存在燒傷現(xiàn)象，此時刀具材料內(nèi)部的元素大量流失，強度大大降低。采用CMQL技術，可以有效的減弱后刀面氧化程度，從而延長刀具壽命，通過對圖10（c）中后刀面邊緣的1點和遠離切削刃的2點進行EDS能譜分析，結果分別如圖10（d）和（e）所示，兩點的氧原子百分數(shù)分別為1.79%和14.39%，表明后刀面發(fā)生了不同程度的氧化反應，2點氧原子含量高于1點，說明遠離切削刃的磨損邊界處氧化反應程度更為嚴重。

2.4.3?粘結磨損

涂層硬質(zhì)合金刀具在銑削超高強度鋼時容易在高溫條件下與材料產(chǎn)生“冷焊”現(xiàn)象，此時摩擦表面的原子間發(fā)生相互吸附作用產(chǎn)生粘結物，粘結物隨切削時間增加而逐漸增多，當粘結物積累到一定厚度時，摩擦表面的粘結點在強烈的沖擊作用下，就會撕裂并連同刀具材料一起脫落下來，損壞刀具表面，造成刀具的粘結磨損。

干式和CMQL條件銑削后的刀具磨損SEM形貌如圖11所示，可以看出干式銑削的粘結物明顯多于CMQL銑削，對各自表面進行能譜分析得知，粘結物中的元素種類大體相同，同時出現(xiàn)了存在于300M鋼中Si、Mo、Cr、Mn、Fe等元素，同種元素含量如表2所示，說明粘結物為工件材料，刀具發(fā)生了粘結，對比每種元素含量可知，CMQL技術對粘結磨損的抑制作用比較顯著。

2.4.4?擴散磨損

對CMQL條件下的刀具后刀面磨損區(qū)域進行線切割（沿圖12中線段AB處垂直剖開），并對試樣進行腐蝕、磨平、拋光、清洗處理，EDS線掃描的結果如圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)在刀具內(nèi)部檢測到了存在于300M鋼中的Si、Cr、Fe、Ni等元素，且含量隨著掃描深度增加而逐漸減小，說明刀具發(fā)生了擴散磨損且程度較輕。W和Co元素含量逐漸增多則是由于刀具表面的溫度極高，提高了化學元素的活性，加速了Co元素向外擴散流失的速度，而Co又是WC顆粒的粘接相，Co元素流失后WC顆粒就會不斷被分解、流失，造成刀具基體磨損，弱化刀具強度，也是造成刀具崩刃現(xiàn)象的主要原因。

3?結?論

1）通過對比無涂層、CVD涂層和PVD涂層硬質(zhì)合金刀片在切削過程中的磨損狀態(tài)，得出PVD涂層是綜合性能較為優(yōu)良的材質(zhì)。

2）建立冷風溫度、空氣壓力、油量供給對刀具后刀面磨損量VB值的影響曲線圖，得到CMQL技術的最佳工藝參數(shù)。

3）根據(jù)刀具磨損試驗，銑削速度vc為400m/min較為適宜。銑削速度為475m/min時，刀具崩刃現(xiàn)象嚴重。

4）完成了CMQL和干式加工對比分析，得出CMQL技術能夠有效降低刀具的磨損速率，為CMQL技術的推廣應用提供及技術保障。

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（編輯：溫澤宇）