高速切削（xuē）鋁（lǚ）合金用硬質合金刀具磨損機理研究
2020-3-31 來源：- 作者（zhě）：李小龍 周燕 劉江 高（gāo）軍（jun1）
摘（zhāi）要：在高速切削加工鋁合金渦輪過程（chéng）中，硬質合金刀具的（de）磨（mó）損會直接影響刀（dāo）具的使用壽命和加工（gōng）精（jīng）度，導（dǎo）致加工精度無（wú）法（fǎ）滿足設計要求，在磨損嚴重時還會引起刀具和零件的損傷。本文以高效（xiào）切（qiē）削鋁合金（jīn）渦輪用硬質合金刀具為研究對象，通過四因（yīn）素（sù）三水（shuǐ）平正交試驗（yàn）對刀（dāo）具磨損行為進行研究，觀（guān）測和分析不同切削參數下硬質合金刀具的磨損狀態及微（wēi）觀形貌（mào），討論並提（tí）出有效控製刀具磨損的措施。結果表明，該控製刀具磨（mó）損的措施在保證零件加工精度的同時具（jù）有一定（dìng）的實際推廣價值（zhí）。
關鍵詞 ： 硬質合金；刀具；磨損；高（gāo）速切削；鋁合金
刀具是影響高速切削鋁合金（jīn）材料的一個關鍵（jiàn）性因素，目前在高速切削加工鋁合金用刀具（jù）方麵主要（yào）存在以下幾個問題：（1）對於（yú）高速切削（xuē）鋁合金材料時（shí）刀（dāo）具（jù）的磨損破損規律研究較少，在實際生產中對換刀沒有統一的企業標準，往往根據工作人員的操作經驗換刀，換刀過（guò）早或過晚易導致刀具浪費或零件超差[1]。（2）切削加工工藝差造成刀具（jù）過早失效。機械加工工（gōng）藝對高速切削狀態下（xià）的刀（dāo）具（jù）失效（xiào）具有十分重要的影響，加工現場對該類型機械加工工藝的研究（jiū）和經驗積累不多，麵對種類繁多的高（gāo）速切削生產狀況（kuàng），基本依靠工人的實際加工經驗。實際加工過程中，刀具切削速度和主軸轉速很（hěn）容易落到共振區中，從而造成（chéng）刀具的振動和衝擊，加（jiā）速了刀具的失效。防止刀具過早失效的重要措施是提高高速切削加工過程中（zhōng）的穩定性（xìng）[2]。但是，企業生產現場對（duì）如何確定產生共振的不穩定區域沒有有效辦法。（3）工（gōng）件（jiàn）成（chéng）本高，損壞將（jiāng）造成巨大浪費[2]。鋁合金工件成本價格（gé）昂貴，某些零（líng）件在加工過程中為消除殘餘內應力（lì），還要經過去應力回火的熱處理工（gōng）序。大型箱體（tǐ）結（jié）構零件的鋁合金材料（liào）毛坯體積大、鑄造成（chéng）本高，加工過程中刀具（jù）的快速磨損和破損極易造成尺寸超差或零件報（bào）廢，給加工人員造成（chéng）較大壓力[3]。 為解決上述問題，張光明等[4]研（yán）究了鋁合金高速切削速度對（duì）硬質合金刀具磨損的影響，郭（guō）新等[5]對鋁合金薄壁中空結構件（jiàn）重負荷銑（xǐ）削刀具壽命及刀具磨（mó）損行為進行了分析，王敬春和馮明軍[6]對球（qiú）頭銑刀精銑鋁合金葉片的磨損行為進行了試驗與（yǔ）研究，李亞平等[7]針（zhēn）對 211Z 鋁合金銑削（xuē）表麵粗（cū）糙度進行了實驗測試與理論分析。本文以高效切削鋁合金渦輪用硬質合金刀具為研究對象，通過四因素三水平正交試驗對刀具磨損行為進行研究，觀測和分析不（bú）同切削參數下硬質合金刀具（jù）的磨損狀態及微觀形貌，討論並提出有效控製刀具磨損的措（cuò）施。
1、實驗（yàn）材料及方法
實驗是在 BCH850 三軸高速銑床上進行的，刀具為機夾式立銑刀 ， 刀片分別為 NASKA APKT113504PDFR-G2 刀片和 SANDVIK R390-11 T3 08E-NL H13A 刀片，刀具直徑為 ϕ20 mm（NASKA 刀片）和 ϕ25 mm（SANDVIK 刀片）。工件材料為鋁合金 7055，加工方式為單向（xiàng）順銑，幹（gàn）切。切削實驗儀器及刀具（jù）如圖 1 所示。
圖 1 實驗設備及刀具：（a）VH-8000 數字光學顯微鏡；（b）機夾式立銑刀
為了減少實驗次數，同時不降低各實驗數據預（yù）測的準確性和信息量，采用正（zhèng）交實驗方（fāng）法，設計四因素三水平 9 組實驗[8]，實驗參數和因素水平如表 1和表 2 所示。
2、結果與討（tǎo）論
2.1 切削參數對刀具磨損的影響
根據（jù）表 1 和表 2 正交實驗數據可（kě）得直觀分析表 3。分析表 3 可得切削 30 min 時切（qiē）削參數對刀具後刀麵磨損量（VB）的影響趨勢，按照極差大小，對刀具後刀（dāo）麵磨損（sǔn）影響最大的切削參數是每齒進給量（0.045），其次是切削速度（0.033），然後是（shì）徑向切寬（0.027），最（zuì）後是軸向切深（0.018）。
表 1 NASKA 刀片正（zhèng）交實（shí）驗參（cān）數與因素水平
表 2 SANDVIK 刀（dāo）片正交（jiāo）實驗（yàn）因素與水平
表 3 NASKA 刀（dāo）片正交實驗結果分析
注：∑T 表示的是切削參數對（duì）刀（dāo）具後刀麵磨（mó）損量影響程度的總和，均值表示（shì）的是切削參數對刀具後刀麵（miàn）磨損量影響程度的平均值，極差表示的是切（qiē）削（xuē）參數對刀具後刀麵磨損量的影響程度（dù）。
極差數據顯示每齒進給量（fz）對刀具後刀麵的磨損量（liàng）影響（xiǎng）最（zuì）大，同時每齒進（jìn）給量（fz）還對刀具破損有著十分重要的影響。圖 2 所（suǒ）示（shì）為不同切削參數（shù）下 NASKA 刀（dāo）片崩刃現象。由圖 2 可以看出，當 fz為 0.3 mm 時發生了崩（bēng）刃現象。由實驗結果可（kě）以看出，每齒進給（gěi）量（liàng）（fz）對（duì）刀具破損（sǔn）有著顯著的影響，隨著（zhe）每齒進給（gěi）量（fz）的（de）增大，刀具破損明顯增多[9]。
圖 2 不同切削參數（shù）下 NASKA 刀片崩刃現象：（a）fz = 0.3 mm，ap = 1 mm，ae = 11 mm，Vc = 942 m/min；（b）fz = 0.3 mm，ap = 2 mm，ae = 7 mm，Vc = 471 m/min
2.2 刀具磨損（sǔn）機理分析
2.2.1 黏結磨損（sǔn）
高速切削時，接觸區的壓力升高，使刀具和工（gōng）件材料（liào）實際接觸麵積增加，由於兩者同時沿著刀（dāo）具的前、後刀麵（miàn）連（lián）續移動，導致刀具表麵的氧化層和其它吸（xī）附膜逐漸破壞，主要體現在刀（dāo）具和剛從工件材料內部切削出的新鮮（xiān）表麵間形成強烈（liè）的黏結[10–12]。在接觸區壓力下的彈塑性（xìng）狀態鋁合金初熔溫度為（wéi） 488 ℃，一般來講，在中等偏低的（de）切削（xuē）速度下容易產生黏結磨損。圖 3 所示為刀麵黏結（jié）磨損宏觀（guān）形貌，如圖可見，由於鋁合（hé）金的（de）塑（sù）性較強，在 9000 r/min 轉速下高速切削（xuē）時，黏結程度雖有（yǒu）所減輕（qīng）但仍存在黏結現象[11,13]。
在自帶能譜分析儀（energy disperse spectroscope，EDS）的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）下對（duì）黏結物進行了形貌觀察（chá）和成分分析（xī），結（jié）果如圖 4 所示。由（yóu）圖 4 可知，黏結物的主要元素是 Al，還含有少量的 Mg、Zn，這是（shì） 7075 鋁合金的主要組成
成分，可以判斷這些黏結物是鋁合金（jīn）工件材料，證明了在切削鋁（lǚ）合金材料（liào）過程中發生了輕微的黏（nián）結磨損。
圖 3 刀具（a）和後刀麵（b）黏結磨損宏觀形貌（fz = 0.3 mm，ap = 1 mm，Vc = 706 m/min）
圖 4 黏結物顯（xiǎn）微組織形貌及能譜分析（xī）：（a）掃描電子顯微形貌；（b）能譜分析
2.2.2 擴散磨損
在自（zì）帶能譜分析儀的掃描電（diàn）子顯微鏡下對刀具刀（dāo）刃（rèn）破損處進行了（le）形貌觀測以及成分（fèn）分析，結果如（rú）圖 5 所示。由圖 5 可（kě）知，磨損處成分既包括刀具材料成分（W、Co 元（yuán）素），又包括鋁合（hé）金工件成分（Al、Mg、Zn 元素），說明在切（qiē）削過程中工件材料的化學（xué）元素很有（yǒu）可能擴散到刀具基體裏麵，使得（dé）刀具基體的成分發生了變化（huà）。
圖 5 後（hòu）刀麵磨損處顯微組織形貌（mào）及能譜分析（xī）：（a）掃描電子顯微形貌；（b）能譜分析
2.3 控製刀具磨損的（de）有（yǒu）效措施
根據以上典（diǎn）型刀具的磨損實驗研究，提出以下控製刀具磨損的措施：（1）每齒進給量是影響刀具耐用度的關鍵因（yīn）素，隨著主軸箱每齒進給量的增（zēng）加，刀具（jù）耐用（yòng）度的改善程度將降低[12]。（2）切削速（sù）度在500～1500 m/min 對刀具（jù）耐用度的影響不明顯，因此在許可條件下應盡（jìn）量提高切削速度，這樣可同時（shí）兼顧（gù）效率和刀具耐用度。（3）根據切削參數選用原則，建議切削參（cān）數如（rú）下：切削速度為 1000～1500 m/min，每齒進給量為（wéi） 0.15～0.25 mm，在機床功率、剛度及扭矩允（yǔn）許的條件下盡量采用高速、小進給。采（cǎi）用優（yōu）化後的切削參數進行切削，可保證零件加工精度（dù），有效地控製刀具（jù）磨（mó）損量，延長刀具使用壽命[12,14–15]。
3、結論
（1）通過四因素三水平正交試驗對高速切削鋁合金渦輪用硬質合（hé）金刀具的磨損行為進行了實驗（yàn）研（yán）究，觀測和分析了不（bú）同切削參數下硬質（zhì）合（hé）金刀具的磨損狀態及微觀形貌，討（tǎo）論了切削參（cān）數對刀具磨（mó）損的敏感程度，得出了刀具磨損受切削參（cān）數（shù）的影響程度：每齒進給量＞切削速度＞切削寬度（dù）＞切削深度。
（2）高速切削鋁（lǚ）合金材料時（shí），刀具的主要失效機理突出體現在黏結磨損和擴（kuò）散磨損，其中前刀麵的黏結情況明顯（xiǎn）較後刀麵嚴重。
（3）提出了有效（xiào）控製刀具（jù）磨損的（de）措施，建議切削參數如下：切削速度為 1000～1500 m/min，每齒進給量為 0.15～0.25 mm，在機床功率、剛度及扭矩允（yǔn）許的條件下盡量采用高速、小進給。該措施在保證零（líng）件加工精度的同時可有效地控製刀具磨損量，延長刀（dāo）具使用壽命，具（jù）有一定的實際推廣價值（zhí）
來源：運城職業（yè）技（jì）術學院機電工程係 內蒙古工（gōng）業大學機械學院（yuàn） 內蒙古第一機械製造集團有限公司（sī）
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