高速钢刀具淬火温度与可靠性寿命评定实验

王铁流，席昭侠

(1.浙江水利水电学院机械电子工程系，浙江杭州 310018;2.宁波中意液压马达有限公司，浙江宁波 315200)

高速钢具有高硬度、高耐磨性、良好的红硬性和工艺性，作为金属切削刀具的材料一直被广泛采用。目前，高速钢刀具仍占据着刀具市场的主导地位［1］。高速钢的优良性能只有通过正确的淬火和回火才能充分发挥出来，淬火与回火质量是决定高速钢热处理质量的关键。高速钢的回火温度基本上是一致的，而不同牌号的高速钢淬火温度却不同，虽然每一种牌号的高速钢都有其规定的淬火温度，但是，影响高速钢热处理质量的因素很多，除淬火温度、加热时间和冷却速度以及回火规范外，质量效应也是影响工件硬度的重要因素［2］。所以，针对具体的高速钢工件，又有其合适的加热温度。如果温度过低，合金碳化物溶解不充分，奥氏体中碳化物和合金元素含量不足，使高速钢发挥不出优良的性能 (硬度、热硬性不足，耐磨性低等)。如果温度过高或加热时间过长，又会引起碳化物聚集，奥氏体晶粒长大，造成产品过热。如果淬火温度再高，还会因过烧而使工件报废。

本文作者针对W6Mo5Cr4V2高速钢A3.15中心钻产品进行了淬火温度与刀具寿命试验，分析、计算了不同淬火温度对应的刀具寿命。

1 试验方案

为便于准确地测量大、小直径圆柱部分的硬度值，采用部分A3.15中心钻的等效试件，如图1所示。

图1 淬火试件

试件共7组，每组15支，等效试件和产品试件分别为5和10支。淬火时各组淬火温度分别为1 180、1 185、1 190、1 195、1 200、1 205、1 210℃。淬火前进行330～350℃和830～850℃两次预热，淬火后560℃回火3次，每次2 h。与淬火温度对应的产品试件完成所有工序并检验合格后，每组抽5支进行性能与寿命切削试验。切削试件材料为40Cr，调质处理，硬度HB200～220，切削速度10 m/min，进给量0.04 mm/r，5%乳化油水溶液充分冷却，以第三次出现严重叫声或出现崩刃达到CH=0.8 mm为寿命判断标准［3］。刀具小径、大径的淬火硬度和寿命的试验结果如表1所示。

表1 试验数据与评定结果

2 刀具寿命

刀具寿命是一把新刀具从开始投入使用直到报废为止的总切削时间，刀具耐用度是指刀具从开始切削到磨饨为止的切削时间，其等于刀具耐用度乘以重磨次数。对于不需要重磨的刀具，刀具寿命就等于刀具耐用度。耐用度越高，寿命越长。

2.1 平均寿命

传统上在确定某种或某批刀具寿命时，常以抽样的方法确定试验样本大小，计算各样本寿命的平均值¯T。

式中:Ti为任意刀具的耐用度;n为样本大小。

2.2 寿命变异系数

刀具寿命变异系数CV(也称差异系数、离散系数、标准差率)是指被评定的某种或某批刀具寿命的标准差系数，它是刀具可靠性的重要指标之一，反映刀具实际工作的稳定性。变异系数越小，刀具可靠性就越高。

式中:S为标准差，

当CV=0.2时，可以认为性能良好;CV=0.2～0.35时，可以认为性能合适［4］。

3 刀具可靠性寿命

刀具可靠性是指刀具在规定的切削条件下和规定的切削时间内，完成规定切削作业的能力。刀具可靠度 (或耐用可靠度)是指刀具在规定的切削条件下和规定的切削时间内，能够完成规定切削加工的概率［5］。刀具可靠性高低用刀具的可靠度值衡量。切削过程中，影响刀具磨损的因素很多，在切削加工中尽管保持切削条件和参数不变，但由于工艺系统误差和随机误差的存在，刀具耐用度值会发生一定的离散，有时刀具耐用度的值会相差数倍［6－7］。随着制造业的发展，现代机械加工的自动化程度越来越高，数控机床、柔性制造和集成制造系统的应用也越来越广，这些设备所使用的各类刀具必须稳定、可靠。然而，由于切削过程是一个随机过程，切削过程中的各项参数都是随机变量，而刀具寿命又是由这些随机参数共同决定的，所以也必然是一个随机变量，具有随机变动的特性，即具有离散性。这种情况下用刀具的平均寿命确定刀具的使用条件，就有很大的局限性。因此，针对刀具的具体应用，应在考虑平均寿命的基础上，根据刀具的可靠性指标来综合评价刀具的寿命。

3.1 可靠性模型

在不同加工条件下，应根据不同的目的，采用不同的可靠性指标。刀具的耐用度是时间的函数，可表示为

式中:F(t)为不可靠度;PF为失效概率，PF=F(t)。

由于可靠度R(t)是时间t的函数，对可靠度R(t)的定量必须先确定刀具耐用度的概率分布形式。尽管刀具耐用度有离散性，但是它们的离散实际上也是有规律的，可以通过现场或实验的数据进行回归分析，确定它们服从哪一种概率分布。常见的几种概率分布有［8］:

(1)正态分布

当刀具处于正常磨损阶段时，磨损是线性的，即具有恒定不变的失效率。而且在离散系数小于0.4的情况下，刀具的磨损耐用度分布适合于采用正态分布。

(2)对数正态分布

刀具在非线性磨损情况下，如刀具前刀面上月牙洼的磨损，离散系数大于0.4，刀具的磨损耐用度分布适合于采用对数正态分布。

(3)威布尔分布模型

当刀具失效率与时间有关时，刀具发生破损的耐用度分布可用威布尔分布模型描述。

此外，常见的还有伽玛分布、极值分布和二重指数分布。

3.2 刀具可靠性寿命计算

经验证明，一般金属切削刀具的耐用度大多属于正态分布，也有呈现威布尔分布的。试验和研究表明，当刀具耐用度的随机变量接近于标准正态分布时，指定概率为P时刀具的耐用度值TP可按下式计算［4］

式中:Φ(x)为标准 (正态)分布的数值，

由此可知，TP与刀具耐用度的平均值及耐用度的变异系数有关。所以，刀具的可靠性指标也可用¯T与CV来综合衡量。而TP是评定刀具切削性能好坏的总指标。表1列出了可靠度分别为0.5、0.85、0.90，和0.95时刀具寿命的计算结果。图2为表1的淬火温度与可靠性寿命关系曲线。从图2可以看出，当可靠度分别为0.5、0.85、0.90和0.95时，刀具的可靠性寿命分别为264.6、171.2、149.1和119.6，对应的淬火温度分别为1 185、1 185、1 185和1 200℃。从本次实验的结果可以看出，在可靠度要求较低(P≤0.9%)的场合，采用1 185℃淬火温度为宜，在可靠度要求较高 (P≥0.95%)的场合，采用1 200℃淬火温度为宜。

图2 淬火温度与可靠性寿命关系曲线

4 结论

影响刀具热处理质量的因素众多，除材料本身成分、尺寸等因素外，淬火加热温度、淬火加热时间、淬火冷却速度、回火规范都是影响高速钢硬度的因素，而且寿命切削试验本身也受一定的随机因素影响。在自动化切削加工技术中，刀具可靠性寿命研究具有十分重要的地位，也是一项复杂而艰巨的任务，需要通过大量的试验积累数据，才能相对准确地确定刀具的寿命。

［1］宋学全，刘秀英，赵黎娟.高速钢刀具材料及热处理工艺选择［J］.国外金属热处理，2005，26(1):30 －33.

［2］宛农，熊惟皓，肖建中，等.2311和2738模具钢热处理质量效应的数值模拟［J］.金属热处理，2004，29(9):63 －66.

［3］GB/T 6078.4-1998 中心钻.

［4］叶伟昌，叶毅.刀具切削性能可靠性指标的评定方法［J］.组合机床与自动化加工技术，1991(2):31－34.

［5］郭国林，林朝平.数控刀具可靠度的分析与研究［J］.机床与液压，2010，38(19):150 －151.

［6］RAMALINGAM S.Tool-life Distributions［J］.Journal of Engineering for Industry，1977(8):519 －522.

［7］ROSSETTO S.A Stochastic Tool-life Model［J］.Journal of Engineer-ing for Industry，1981(2):126 －129.

［8］杨广勇，付小根.刀具耐用度的分布与刀具的可靠性［J］.水利电力机械，1995(2):47 －49.