多种刀具高速脆性切削纯铁切削性能研究

刘永龙,苏国胜,赵 猛,刘 义

齐鲁工业大学(山东省科学院) 机械工程学部,山东 济南 250353

纯铁塑性大、强度低、韧性强,在切削加工时容易出现切屑长而不断、刀具黏结,影响加工效率和加工表面质量[1-3],是一种难加工材料。

朱金鹏等[4]用PVD TiAlN 涂层硬质合金刀片在进给量为0.02 mm/r、切削深度为0.04 mm进行纯铁车削实验,研究切削速度的变化对表面粗糙度的影响。结果表明在切削速度为80 m/min时表面粗糙度很大,这是由于工件表面材料主要受刀具的挤压作用,使得纯铁材料极易黏结在刀具表面形成积屑瘤导致的[5-7]。从80 m/min到120 m/min时表面粗糙度持续减小,这是由于切削速度的提高提高了切削温度,纯铁材料发生了明显的热软化效应,积屑瘤减小,导致表面粗糙度降低。从120 m/min到200 m/min时表面粗糙度又持续增大,这是由于切屑与刀具间摩擦加剧导致刀具前刀面温度大幅度升高,使工件表面发生严重的塑性变形和侧向流动,增大了表面粗糙度值。

孔金星等[8]用刀具主偏角为93°,刀具前角为15°,刃倾角为10°的硬质合金刀具在切削参数为切削速度v=100 m/min和300 m/min,进给量f=0.1 mm/r,切削深度ap=0.15 mm时对纯铁进行切削。结果表明随着切削时间的增加切削速度为100 m/min时刀具后刀面相对磨损缓慢,同时加工表面粗糙度平缓增大。而切削速度为300 m/min时随着切削时间的增加刀具后刀面剧烈磨损,同时工件表面粗糙度急剧增加,表面形貌严重恶化。同时采用无磨损刀具、后刀面的平均磨损量VB为0.12和0.21 mm的刀具在MQL冷却润滑条件下对纯铁材料进行切削。发现无磨损刀具的刃口较为锋利,在刀具与纯铁工件接触点前方产生严重的“塑性凸出”效应[9],工件表面呈现较大的残余拉应力。

在材料塑性应力波波速阶段切削工件,可以避免材料因塑性大而产生的难断屑、应变硬化、黏刀等问题[10-12]。采用以铣代车的方式,在纯铁材料塑性应力波波速阶段切削纯铁,观察硬质合金、PCBN、陶瓷3种材料刀具切削纯铁的刀具磨损和已加工表面质量,为纯铁高速脆性切削刀具优选提供参考。

1 高速切削实验

1.1 刀具选择

为实现在8 000 m/min速度下脆性切削纯铁,选择图1所示硬质合金(型号TNMG160408)、PCBN(型号TNGA160408)和陶瓷(型号TNMG160408)3种刀具。3种刀具几何参数有所不同,其中硬质合金刀具切削刃为锋刃,并有一定的前角。而PCBN和陶瓷刀具切削刃为负倒棱,前、后角均为0°,刀杆为MTFNR2020K16型复合压紧式刀杆。

注：(a)硬质合金刀具;(b)PCBN刀具;(c)陶瓷刀具。

1.2 实验方案

本实验设置采用以铣代车的方式,使切削速度达到8 000 m/min。工件为厚1.5 mm,直径400 mm的纯铁圆盘。通过螺栓将其固定在刀柄上,并安装在大宇mynx530型数控加工中心的主轴上。刀具通过刀杆固定在台钳上。

为对比3种刀具脆性切削纯铁的效果,设置了不同切削长度从而选出切削长度大且刀具磨损小的刀具。每种刀具在切削固定长度后,将更换新的刀具进行后续切削。切削参数见表1。

表1 切削参数设置

2 实验结果及分析

2.1 切屑形态

切屑的形态随着切削速度的变化而变化[13],图2是切削速度从1 000 m/min到8 000 m/min时切屑形态的变化。

注：(a)切削速度1 000 m/min;(b)切削速度为3 000 m/min;(c)切削速度5 000 m/min;(d)切削速度7 000 m/min;(e)切削速度8 000 m/min。

切削速度为1 000 m/min时,发现切屑为完整的一条带状切屑(图2 (a)。当切削速度为3 000 m/min时,切屑和切削速度为1 000 m/min的切屑相似,仍然为带状切屑(图2 (b)。切削速度为5 000 m/min,带状切屑明显变细,切屑卷曲也更加紊乱(图2 (c))。当切削速度为7 000 m/min时,丝状切屑和细窄的带状切屑大量出现并团聚在一起(图2 (d))。随着切削速度的进一步提高,切削速度达到8 000 m/min时,切屑形态为粉末状切屑(图2 (e))。

对图2(e)中切屑进一步放大,如图3。图3(a)～(d)显示图2(e)中的颗粒切屑是尺寸为300～1 000 μm的微小片状切屑碎屑或切屑熔融小球。熔融球是切削过程中切屑被切削热(主要是刀屑摩擦热)加热飞出时与氧气接触熔化形成的[14]。图3(d)中的片状切屑有脆性边界,说明片状切屑是由脆性断裂形成的。片状切屑的颜色为银亮色,说明切屑是在较低温度下形成的,没有被高温氧化。

注：(a)熔融切屑与脆性断裂切屑图;(b)为(a)中切屑大框的局部放大图;(c)为(a)中切屑小框的局部放大图;(d)脆性断裂的切屑。

2.2 切削力

为了对比3种刀具在8 000 m/min速度下脆性切削纯铁的性能,使用测力仪对刀具切削力进行了测量。图4为3种刀具在8 000 m/min速度时切削纯铁时的主切削力,其中细实线为采集的原始数据。为便于观察切削力的变化对数据进行了每40个数据取1个平均值的处理,结果为对应颜色的粗实线。

图4 切削速度为8 000 m/min时3种刀具的切削力

总体来看,陶瓷刀具的切削力最大,PCBN刀具次之,硬质合金刀具切削力最小。在前0.01 s内为切削力快速提升的阶段,可以看到PCBN刀具切削力增加最快,但最大值较小。并且在0.01 s附近出现了先小幅下降再增大的现象,这可能是刀具磨损造成的[15]。硬质合金在该阶段增加趋势与陶瓷刀具基本一致,但最大值要小于陶瓷刀具。硬质合金、PCBN和陶瓷刀具的最大切削力分别为232.6、219.6和264.8 N。硬质合金刀具切削力在0.012～0.020 s之间迅速降低,这应该是刀具严重磨损造成的[16]。随后切削力出现大幅度的波动,甚至出现了负值,波动范围在±140 N之间。此时,刀具后刀面出现大面积的磨损,后刀面与工件表面大面积接触并发生摩擦、挤压造成切削力大幅波动。PCBN和陶瓷刀具在达到最大切削力后,切削力缓慢下降,并且切削力波动幅度较小,说明刀具磨损没有硬质合金刀具这么大。切削力波动幅度大小能够在一定程度上反应刀具的磨损程度[17],从波动幅度来看,硬质合金磨损最大,PCBN次之,陶瓷刀具磨损最小。

2.3 刀具磨损

由于刀具磨损程度不同,在实验中根据磨损程度进行了分段切削,表2为3种刀具分段切削长度。

表2 3种刀具最终切削长度

使用超景深显微镜对刀具磨损情况进行观察。图5为3种刀具切削3.75 m后刀面的磨损情况。整体来看,硬质合金刀具磨损最严重,前刀面(图5(a))出现明显的缺口,后刀面(图5(d))磨粒磨损严重,磨损宽度超过后刀面宽度的1/2。PCBN刀具的磨损要明显好于硬质合金刀具,前刀面(图5(b))负倒棱处出现了明显的月牙洼磨损[18],月牙洼窄而深。后刀面(图5(e))也出现了较为明显的磨损。陶瓷刀具表现最优,前、后刀面(图5(c,f))均没有发现明显磨损。

注：(a)硬质合金刀具前刀面;(b)PCBN刀具前刀面;(c)陶瓷刀具前刀面;(d),(e),(f)为对应后刀面。

随后使用新的PCBN和陶瓷刀具进行切削长度为11.25 m的切削实验,磨损情况如图6所示。图6(a)为PCBN刀具前刀面,可以清楚的看到发生了月牙洼磨损,月牙洼较深,宽度较窄且均匀。后刀面(图6(c))出现了较为严重的磨粒磨损。图6(b)为陶瓷刀具前刀面,没有发现磨损,后刀面(图6(d))则出现了轻微的磨粒磨损。

注：(a)PCBN刀具前刀面;(b)陶瓷刀具前刀面;(c),(d)为对应后刀面。

从图6可以看出陶瓷刀具的表现明显更优,因此对陶瓷刀具进行了更长距离的切削实验,观察陶瓷刀具的耐磨情况。图7展示了陶瓷刀具分别切削22.50和45.00 m时的前、后刀面磨损情况。从图7(a,b)可以看出,前刀面基本没有发生磨损,在切削刃处存在少量黏附的工件材料。图7(c,d)则表明随切削长度的增加后刀面的磨损宽度有所增加,磨损程度也进一步增加。

注：(a)切削22.50 m前刀面;(b)切削45.00 m前刀面;(c),(d)为对应后刀面。

对3种刀具切削不同长度后的后刀面磨损宽度进行了测量,结果如图8所示。在相同切削长度下硬质合金刀具表现最差,PCBN刀具次之,陶瓷刀具最好。硬质合金刀具后刀面磨损宽度最大,最大值为2.43 mm,因此该刀具不适合纯铁的高速脆性加工[19]。PCBN刀具磨损宽度由3.75 m时的0.56 mm增加到11.25 m时的0.64 mm。而陶瓷刀具由3.75 m时的0.05 mm增加到45.00 m时的0.13 mm。从切削长度来看,刀具后刀面磨损宽度随切削长度的增加而增大。

图8 8 000 m/min速度下切削不同长度后刀面磨损宽度

通过SEM进一步观察3种刀具的磨损情况,并对其进行分析。图9展示了硬质合金刀具切削3.75 m时前、后刀面磨损情况。图9(a)显示,硬质合金刀具原有的切削刃已经消失。在前刀面边缘处(图9(a))存在一些黏附的工件材料,进一步放大后,图9(b)显示材料是层叠堆积在前刀面上。图9(c)显示,后刀面磨损十分严重,磨损区有大量的工件材料黏附,说明后刀面发生了明显的黏结磨损。在后刀面边缘(图9(c))也黏附一些材料,并在磨损区出现了少量划痕(图9(d))。

注：(a),(b)为前刀面;(c),(d)为后刀面。

图10是PCBN刀具切削11.25 m时前、后刀面的磨损情况。图10(a)显示,前刀面出现了月牙洼磨损,这是由于切屑从前刀面滑出时与前刀面发生摩擦引起的[20]。从图10(a)中可以看到,磨损区存在明显的纵向划痕。且在靠近切削刃处磨损较深,形成一个横向的沟槽,在远离切削刃的地方磨损较浅。在磨损区靠近切削刃的地方(图10(b))存在大量表面光滑的附着物,附着物形态各异,表面较为圆润,像是高温熔化后形成的[21]。在沟槽底部(图10(c))能够看到一些薄片状的材料,像是脆性断裂形成的切屑。通过进一步放大,图10(d)显示薄片表面平整,边界锋利,没有发生变形。说明材料发生了脆性断裂[22],一部分脆性断裂形成的切屑被存储在磨损的沟槽中。后刀面(图10(e))磨损情况明显好于硬质合金刀具。放大后(图10(e))发现后刀面存在一些类似图10(b)所示的附着物,大量的材料附着在后刀面上,使刀具发生了黏结磨损,导致刀具磨损加剧。并且在左侧区域发现了如图10(f)所示的工件黏结,黏结后的表面较为平整。在工件黏结处还有一道微裂纹穿过,而在图10(f)左侧则存在大量纵向划痕。

注：(a),(b),(c),(d)为前刀面;(e),(f)为后刀面。

图11展示了陶瓷刀具切削11.25 m时前、后刀面磨损情况。图11(a)显示前刀面没有明显的磨损,在距离切削刃约80 μm处存在一些纵向划痕和一些小月牙洼,说明在前刀面发生了磨粒磨损。同时还存在一些纵向的微裂纹,裂纹中间宽,两头窄。说明裂纹开始于磨损较为严重的中间区域,然后向切削刃扩展。由图11(b)可以看到,裂纹终止于距离切削刃约10 μm处。图11(c,d)显示,后刀面也出现了轻微的磨损。在图11(c)所示区域还出现了大块的工件材料黏结在后刀面上。黏结材料表面平整,并有大量纵横交错的龟裂纹。在后刀面(图11(d))也发现了类似前刀面的微裂纹,但裂纹长度明显短于前刀面的,且数量较少。同样,裂纹也终止于距离切削刃约10 μm处。

注：(a),(b)为前刀面;(c),(d)为后刀面。

2.4 加工表面质量

2.4.1 加工表面形貌

通过电火花线切割机从圆盘上切割下一小块,在超景深显微镜下观察加工表面形貌。图12为不同刀具切削纯铁后的已加工表面形貌。根据表2和图6,硬质合金刀具在切削3.75 m后,磨损十分严重,因此没有进行更长距离的切削实验。图12(a,b)为切削3.75 m后的加工表面。为了方便对比不同刀具对加工表面质量的影响[23],PCBN和陶瓷刀具的加工表面为切削11.25 m后获取的。图12(a)可以看出加工表面质量很差,在左侧边缘加工表面呈弧形(图12(b)),在中间和右侧出现了两条暗纹,加工表面波动较大。图12(c)显示PCBN刀具的加工表面明显好于硬质合金刀具,表面竖条纹均匀,表面没有发现明显波动,平整度较好。从图12(d)可以看出PCBN刀具的加工表面也存在一些缺陷,在左侧出现一条断续的条纹,在右侧也出现一条暗纹。暗纹显示此处有一条较深的沟槽,这是后刀面(图6(c))磨损较为严重导致的。图12(e)所示加工表面与图12(c)相似,没有发现明显的缺陷。将放大倍率进一步调大后发现在图12(f)左右两侧也存在一条暗带,但相对于图12(d)来说相对较轻。

通过SEM对加工表面进一步观察。图13是硬质合金刀具加工后的工件表面,图13(a)显示在工件边缘存在明显的劣化。图13(b)中存在一个大的沟槽,部分沟槽被侧向挤压的工件材料盖住。在中间部分有一块深色的熔化后的材料黏附在加工表面,这是高温熔化的工件材料被氧化后形成的[24]。在图片右侧存在一些划痕。将其进一步放大可以看到表面存在一些微孔洞(图13(c)),孔洞没有明显被拉长的痕迹。

图14为PCBN刀具加工后的工件表面。图14(a)显示,加工表面较为平整,没有看到明显的缺陷。将其放大后发现仅有一些纵向划痕(图14(b)),进一步放大能够看到一些小的沟槽和侧向流动[25](图14(c))。

注：(a)加工工件表面;(b)为(a)的局部放大图;(c)为(b)的局部放大图。

图15展示了陶瓷刀具加工后的工件表面。图15(a)显示,加工后的表面质量较高。但在右侧存在一些缺陷,经放大后发现存在大量的孔洞,孔洞没有被拉长或变形(图15(b))。进一步放大后,图15(c)中所示孔洞中存在一个小的凹坑。可以看到凹坑底部和四周是光滑的晶粒表面,没有发生变形。说明此时,加工表面变形深度较浅。可以看到陶瓷刀具加工后的表面于PCBN刀具相比,没有较大的塑性变形。划痕侧向流动很小,孔洞的边缘也没有韧性撕裂的痕迹。说明陶瓷刀具在8 000 m/min时脆性加工纯铁的性能要好于PCBN和硬质合金刀具。

2.4.2 粗糙度

使用白光干涉仪对加工表面粗糙度进行测量。每个工件选4个区域进行测量,并取平均值,结果如图16所示。总体来看硬质合金刀具切削3.75 m的加工表面最差,选取的4个区域粗糙度Ra值均大于1 μm。PCBN切削11.25 m的加工表面要好于硬质合金的,其粗糙度Ra在0.7～0.9 μm之间。陶瓷刀具表现最优,与PCBN切削相同距离的情况下粗糙度低至0.3 μm。硬质合金、PCBN和陶瓷刀具的已加工表面粗糙度平均值分别为1.104、0.793和0.358 μm。

注：硬质合金切削3.75 m;PCBN和陶瓷刀具切削11.25 m。

2.4.3 加工硬化

在金属切削过程中,刀具后刀面和加工表面接触的第三变形区,刀尖半径和后刀面会对加工表面产生挤压和摩擦[26]。对于纯铁这种塑性较好的材料,刀具的挤压会使加工表面的材料被拉长,压扁。摩擦也会使材料温度更高,材料软化,塑性进一步提高。同样,摩擦还会使加工表面出现细小的沟槽,挤压和高温软化会使材料发生侧向流动变形。纯铁材料的这种变形会使加工表面发生加工硬化,表现为表层硬度明显增加[27]。

采用显微硬度仪测量3种刀具加工的工件表层显微硬度,结果如图17所示。整体来看硬质合金和PCBN刀具加工后的表面硬度较高,陶瓷刀具加工后的表面较低。硬度沿加工表面深度方向逐渐降低,在250 μm的深度时,3个工件硬度都接近基体硬度值153 Hv。

图17 工件表层显微硬度

图18为不同刀具的加工表面硬化层深度。硬质合金刀具加工表面的硬化层深度为175 μm,要小于PCBN刀具的250 μm。这可能是硬质合金刀具加工后的表面边缘是曲面,硬化深度是从表面边缘开始计算,使得结果要小于从加工表面中间高度计算的结果。陶瓷刀具加工后的表面硬化层深度为150 μm,是3种刀具中最小的。同时,陶瓷刀具还有更好的耐磨性,更高的加工表面质量。因此,陶瓷刀具更加适合纯铁的脆性切削。

图18 不同刀具加工后的表面硬化层深度

3 结 论

本文选择硬质合金、PCBN、陶瓷3种材料刀具,在8 000 m/min速度下对纯铁进行了高速脆性切削实验,通过分析刀具磨损、已加工表面质量和切削力等要素评价3种刀具的切削性能,为高速脆性切削纯铁刀具优选提供参考。结论如下：

(1)切削线速度为8 000 m/min时,切削实现了纯铁的脆性切削,切屑形态为脆性断裂形成的碎屑,其尺寸范围为300～1 000 μm。

(2)在8 000 m/min速度下切削纯铁,陶瓷刀具耐磨损性能最好。即使在切削45 m长度的情况下,前刀面也没有出现明显磨损,后刀面出现了轻微磨粒磨损。PCBN刀具后刀面磨粒磨损明显,且前刀面出现了月牙洼磨损。硬质合金刀具表现最差,前后刀面磨粒磨损十分严重。

(3)工件已加工表面质量与刀具磨损表现基本一致。陶瓷刀具的加工表面光洁度高,粗糙度小。从表层显微硬度结果来看,陶瓷刀具的加工表面的加工硬化程度较轻,硬化层深度较浅。

(4)陶瓷刀具切削力大于硬质合金和PCBN刀具,且切削力波动幅度小,加工过程更平稳,有利于精加工的实现。