可轉(zhuǎn)位數(shù)控精車刀片失效分析

周 波，盧 威，邵偉芹

(張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 張家界 427000)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，耐磨、耐高溫涂層材料被廣泛用于可轉(zhuǎn)位數(shù)控車刀片表面，進(jìn)而改善刀片的使用壽命。但在實(shí)際加工過程中，過高的切削速度會引起刀片涂層發(fā)生氧化磨損和粘著磨損，導(dǎo)致精車刀片過早失效。因此，為了改善數(shù)控精車刀片的使用壽命，對刀片的失效原因進(jìn)行了研究和分析[1]，但對機(jī)械加工企業(yè)一刀多用的實(shí)際失效分析的報(bào)道較少[2-3]。因此，本文將針對某航空企業(yè)實(shí)際失效的數(shù)控精車刀片進(jìn)行失效機(jī)理研究。

1 失效分析

1.1 失效刀片的宏觀結(jié)構(gòu)特征

涂層硬質(zhì)合金刀具的理論壽命由刀側(cè)磨損和凹口磨損決定[4]。但是在實(shí)際使用過程中，數(shù)控車床操作人員往往會根據(jù)零件的表面光潔度和切屑狀態(tài)來判定刀片是否失效。為了研究35°精車刀片的實(shí)際失效狀態(tài)的特征，本論文選用了5塊來自某航空企業(yè)生產(chǎn)一線的同型號失效刀片作為研究對象。

圖1為失效35°精車刀片的宏觀照片。由圖1可知，35°精車刀片的前刀面在宏觀上未見明顯的切屑粘附物、表面未見大面積磨損或者崩刃現(xiàn)象；刀片的后刀表面，也未見明顯的宏觀缺陷，但其表面顏色發(fā)白，這可能是刀具表面涂層的脫落或者被加工材料的元素發(fā)生了化學(xué)擴(kuò)散所致。但在實(shí)際加工過程中，由于被加工工件的表面粗糙度無法達(dá)到零件的技術(shù)要求(Ra<0.8 μm)，導(dǎo)致這批刀片被數(shù)控車床操作人員判定為報(bào)廢。

圖1 失效35°精車刀片的宏觀圖

1.2 失效刀片的微觀特征

圖2為失效35°精車刀片的顯微組織。35°精車刀片的前刀面靠近刀尖的區(qū)域存在有明顯金屬光澤的粘著物質(zhì)，見圖2(a)；刀尖部位存在明顯的月牙洼磨損失效特征(微崩刃)，見圖2(b)和圖2(c)；切削刃區(qū)域存在明顯的切屑粘著物質(zhì)，并且切削刃后端有明顯的表面涂層脫落等失效特征，見圖2(d)和圖2(e)。

(a,d,e)粘著物質(zhì)；(b,f)涂層脫落；(c)凹坑缺陷

1.3 刀刃部位的斷口形貌

采用掃描電鏡對失效的35°精車刀片進(jìn)行組織觀察，如圖3所示。刀尖和切削刃部位存在涂層脫落和微崩刃，見圖3(a)。對圖3(a)中得1#、2#和3#位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。1#區(qū)域未發(fā)現(xiàn)Al、Ti、N等表面涂層元素殘留，并且W、C元素含量較大，存在大量的Fe、Cr元素，說明此區(qū)域表面涂層基本脫落，并被切屑粘附物覆蓋。2#區(qū)域存在刀片基體元素W、C和切削元素Fe、Cr，未發(fā)現(xiàn)涂層元素Al、Ti、N，說明此區(qū)域的涂層也基本脫落；此外，粘附物表面存在明顯的沿切削方向發(fā)展的硬質(zhì)顆粒擦痕。3#區(qū)域不僅存在基體元素W、C和切屑元素Fe、Cr，還存在涂層元素Al、Ti、N；同時，還發(fā)現(xiàn)O元素，說明此區(qū)域在高速切削過程中發(fā)生了氧化反應(yīng)。

(a)涂層脫落和微崩刃；(b)粘著物質(zhì)；(c)凹坑缺陷

表1 圖3(a)中不同位置的能譜分析結(jié)果

2 切削過程有限元仿真

為了更深入的了解35°精車刀片的失效原因，使用DEFORM3D有限元仿真軟件對35°精車刀片在切削鈦合金Ti6Al4V 過程中的熱力學(xué)特性進(jìn)行分析。設(shè)置參數(shù)為：切削線速度分別為 40、60、80和100 m/min，進(jìn)給速度為 0.3 mm/s，切削深度為 0.15 mm，摩擦系數(shù)為 0.4，檢驗(yàn)切削速度對35°精車刀片的刀-屑接觸區(qū)溫度和前刀面磨損深度的影響。

2.1 刀-屑接觸區(qū)溫度

對35°精車刀片切削鈦合金Ti6Al4V 進(jìn)行仿真研究，仿真切削時間步為1000 步，切削時間為0.00196 s。圖4為在不同切削速度下35°精車刀片刀-屑接觸區(qū)溫度變化曲線。由圖4可知，隨著切削速度的增加，刀片與切屑的的接觸溫度也明顯升高。

圖4 35°精車刀片的刀-屑接觸區(qū)溫度

2.2 前刀面磨損深度

圖5為35°精車刀片的前刀面磨損深度。由圖5可知，隨著切削速度的增大，35°精車刀片的前刀面磨損深度呈顯著增加。

圖5 35°精車刀片的前刀面磨損深度

3 分析與討論

由圖2和圖3可知，35°精車刀片主要失效形態(tài)為涂層剝落、微崩刃等，并且刀具失效表面切屑粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重。由有限元仿真模擬結(jié)果可知，隨著切削速度的不斷增加，35°精車刀片與被加工工件的接觸溫度不斷增加。在高切削溫度的影響下，切屑與刀片表面涂層發(fā)生氧化反應(yīng)和化學(xué)擴(kuò)散，從而降低刀尖部位的整體強(qiáng)度[5]。并在高溫、高壓的條件下，刀片涂層和基體很容易產(chǎn)生大量的熱-機(jī)械疲勞裂紋，在切削沖擊力的作用下引發(fā)刀片微崩刃現(xiàn)象[6]。

由圖2(d)和圖3(a)可知，失效精車刀片表面存在著明顯的硬質(zhì)顆粒相和硬質(zhì)顆粒引起切削溝槽。這可能是由于刀片和被加工工件材料之間不斷摩擦導(dǎo)致刀片硬質(zhì)顆粒脫落，硬質(zhì)顆粒與切屑等硬度較低的材料復(fù)合粘著在刀具表面，并引起被加工工件表面質(zhì)量顯著降低。

綜上所述，某航空企業(yè)35°精車刀片的失效原因可能為切削速度過高導(dǎo)致刀片表面涂層脫落，進(jìn)而導(dǎo)致刀片失效。

4 建議

1)由于切削速度設(shè)置不合理，導(dǎo)致35°精車刀片存在明顯涂層脫落、微崩刃現(xiàn)象，建議在數(shù)控精車切削過程中，采用相對合理的切削速度來改善35°精車刀片的使用壽命。

2)由于35°精車刀片表面存在著明顯的氧化物，并且涂層存在大塊體脫落等現(xiàn)象，建議在設(shè)計(jì)精車刀片涂層時，考慮涂層的化學(xué)穩(wěn)定性以及涂層和基體材料的結(jié)合強(qiáng)度的問題。