Al2O3基陶瓷刀具车削300M超高强度钢的刀具寿命研究*

刘维民 艾 兴 赵 军 王宝林

（山东大学机械工程学院，山东济南 250061）

300M超高强度钢具有超高的强度、高的硬度以及韧性好等优良的综合性能，被广泛应用于航空航天工业，特别适于制造飞机起落架等关键承力构件［1］。但从加工性能的角度看，是一种典型的难加工材料［2］。切削加工过程中产生的切削力大、切削温度高，使得切削速度低、刀具寿命短，直接影响到它的加工效率。

目前国内外加工高强度钢主要选用硬质合金、陶瓷刀具和CBN刀具［3－6］。硬质合金刀具的耐热温度相对较低，不适于高速切削加工;CBN刀具的整体性能比较优异，适于高速切削加工，但是由于价格因素，其应用受到了限制;陶瓷刀具耐热性好，高温化学性质稳定，适合于高速切削加工［7－9］。其中Al2O3基陶瓷刀具性能优、价格低，在高速加工高强度钢时应用较多。

本文对Al2O3基陶瓷刀具高速干车削300M超高强度钢中的刀具磨损及刀具寿命进行了研究，并通过对刀具寿命的分析，为Al2O3基陶瓷刀具干车削300M超高强度钢提供较为合理的切削参数。

1 试验部分

1.1 试验条件

试验在PUMA200MA数控车床上进行（最高转速为6 000 r/min），工件材料是调质热处理后的300M超高强度钢棒料，硬度为42±3 HRC，其成分见表1。刀具采用Al2O3基陶瓷刀片，牌号为LTZ1（采用热压烧结工艺自制），刀具前角 －5°，后角 5°，主偏角 45°，带负倒棱。

在试验中选用后刀面磨损量VBmax=0.6 mm作为刀具磨钝标准，使用工具显微镜测量后刀面的磨损量。试验结束后，采用扫描电镜（SEM）和能谱分析技术（EDS）对磨损后的陶瓷刀具进行观察分析，研究陶瓷刀具切削300M超高强度钢时的磨损形貌。

表1 300M超高强度钢的化学成分（wt%）

1.2 刀具寿命模型

根据广义泰勒寿命公式，切削过程中刀具寿命与切削参数（切削速度v、进给量f和切削深度ap）呈指数变化，可用下列指数函数表示［10］:

式中:C为切削系数;v为切削速度，m/min;ap为切削深度，mm;f为进给量，mm/r;b1、b2、b3为切削指数。

将式（1）两边取对数，得到下列线性方程式:

将式（2）简化后，可得三元线性方程的一般式:

建立刀具寿命的线性回归方程，用矩阵形式表示:

式中:ε为试验随机变量误差。

根据最小二乘法，设b0、b1、b2、b3分别为 β0、β1、β2、β3的最小二乘估计，则线性回归方程为:

由式（6）求出回归系数:

式中:X'为X的转置矩阵，（X'X）－1为X'X的逆矩阵。

为获得刀具寿命经验公式，采用了对角正交回归法安排试验［11］，这可以有效地减少试验次数，节省试验时间。对角正交回归法的试验条件为:切削速度300 m/min、600 m/min;进给量 0.05 mm/r、0.2 mm/r;切削深度0.1 mm、0.2 mm。切削试验的切削用量组合、水平编码及试验结果见表2。

表2 试验参数、水平编码及试验结果

2 试验结果与分析

2.1 刀具磨损

图1、图2为陶瓷刀具达到磨钝标准后的磨损形貌SEM照片和EDS分析图，分析可知，其损坏形态主要为前刀面磨损和后刀面磨损。

前刀面磨损主要为粘结磨损。分析图1b、d发现前刀面粘结了大量工件材料，这是由于在切削过程中产生的切削温度很高，导致刀具材料与切屑接触处相互作用引起粘结，随着切屑的不断流出，粘结微粒不断被撕裂带走，造成了前刀面的粘结磨损。

分析图2a知，后刀面磨损区上存在条纹状沟槽，是典型的磨粒磨损。300M超高强度钢中含有Cr、Ni、Mo、Si等元素，易形成硬质点，使得切削加工变得困难。在切削加工过程中，后刀面与工件材料相互摩擦，这些硬质点在刀具材料上划出一道道沟槽，形成磨粒磨损。分析图2b、c知，在后刀面磨损区中粘结了少量工件材料，在磨损区边缘也出现了粘结，由于在后刀面上产生的切削温度和压力较前刀面小，所以粘结程度相对轻微。

由上述分析可以看出，粘结磨损和磨粒磨损是Al2O3基陶瓷刀具高速干车削300M超高强度钢时的主要磨损机理。

2.2 寿命分析

根据上述刀具寿命模型理论，对表2中的数据进行处理，得到如下刀具寿命经验公式:

式中:T为刀具寿命，min。

从刀具寿命经验公式可以看出，切削速度对刀具寿命的影响最大，其次为切削深度，进给量的影响最小。在高速切削时，工件材料与刀具材料之间的摩擦加剧，使得切削温度升高，恶化了刀具的粘结磨损;而且在高速下，由于机床振动等因素，刀具受到的冲击力也会增大，这都会影响刀具的使用寿命。

图3所示为Al2O3基陶瓷刀片在不同切削条件下后刀面磨损量与切削加工时间的关系。图3中1号、2号曲线的切削速度为300 m/min，两者有相同的变化趋势:切削初期，约在0～9 min，刀具后刀面的磨损量快速增加;切削中期，约在9～20 min时段，刀具后刀面的磨损量平缓增加;切削后期，时间约在20 min之后的磨损量急剧增加，刀具迅速达到磨钝标准。

图3中3号、4号曲线的切削速度为600 m/min，可以清楚地看出其变化趋势基本相同，并未出现切削速度为300 m/min时的三段变化趋势，后刀面的磨损量一直急剧增加，刀具在不到10 min的时间内就达到了磨钝标准，说明刀具不能承受600 m/min的切削加工速度。因此该陶瓷刀片车削300M超高强度钢时，切削速度的选择应小于350 m/min。

综合以上考虑，并依据刀具寿命公式，在使用该Al2O3基陶瓷刀片干式车削300M超高强度钢时，建议切削参数为:切削速度200～300 m/min、切削深度0.1～0.15 mm、进给量0.05～0.1 mm/r。

3 结语

应用对角正交回归法对Al2O3基陶瓷刀片干式车削300M超高强度钢的刀具寿命进行了研究，得到了以下结论:

（1）Al2O3基陶瓷刀片干式车削300M超高强度钢时的磨损机理主要是粘结磨损和颗粒磨损;

（2）获得了Al2O3基陶瓷刀片干式车削300M超高强度钢的刀具寿命经验公式，为优化300M超高强度钢切削参数优化提供了可靠的依据;

（3）Al2O3基陶瓷刀片干式车削300M超高强度钢时的合理切削参为:切削速度200～300 m/min、切削深度0.1～0.15 mm、进给量0.05～0.1 mm/r。

［1］赵振业.航空高强度钢的理论、发展和应用［J］.材料工程，1991（2）:29－31.

［2］韩荣第，于启勋.难加工材料切削加工［M］.北京:机械工业出版社，1996.

［3］张保国，陈志同，熊曦耀，等.涂层刀具铣削加工300M钢的刀具磨损试验研究［J］.航空精密制造技术，2008，44（2）:41 －44.

［4］刘志兵，王西彬，杨洪建.陶瓷刀具干铣削超高强度钢的试验研究［J］.工具技术，2003，37（5）:7－9.

［5］Benga Gabriel C，Abrao Alexandre M.Turning of hardened 100Cr6 bearing steel with ceramic and PCBN cutting tools［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，143（12）:237 －241.

［6］Coelho Reginaldo T，Eu－Gene Ng，Elbestawi M A.Tool wear when turning hardened AISI 4340 with coated PCBN tools using finishing cutting conditions［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufac-ture，2007 ，47（2）:263－272.

［7］艾兴.高速切削加工技术［M］.北京:国防工业出版社，2003.

［8］邓建新，赵军.数控刀具材料选用手册［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［9］刘献礼，陈波，严复钢，等.PCBN刀具的选择与使用［J］.机械工艺师，1998（10）:14 －16.

［10］仇启源，庞思勤.现代金属切削技术［M］.北京:机械工业出版社，1989.

［11］陈章燕.研究切削过程的新方法［J］.北京工业学院学报，1989，15（2）.