高速切削鋁合金用硬質合金刀具磨損機理研究
2020-3-31 來源：- 作者：李小龍 周燕 劉江 高軍
摘要：在高速切削加工鋁合金渦輪過程中，硬質合金刀具的磨損會直接影響刀具的使用壽命和加工精度，導致加工精度無法滿足設計要求，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，觀測和分析不同切削參數下硬質合金刀具的磨損狀態及微觀形貌，討論并提出有效控制刀具磨損的措施。結果表明，該控制刀具磨損的措施在保證零件加工精度的同時具有一定的實際推廣價值。
關鍵詞 ： 硬質合金；刀具；磨損；高速切削；鋁合金
刀具是影響高速切削鋁合金材料的一個關鍵性因素，目前在高速切削加工鋁合金用刀具方面主要存在以下幾個問題：（1）對于高速切削鋁合金材料時刀具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過早失效。機械加工工藝對高速切削狀態下的刀具失效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和經驗積累不多，面對種類繁多的高速切削生產狀況，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容易落到共振區中，從而造成刀具的振動和沖擊，加速了刀具的失效。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的穩定性[2]。但是，企業生產現場對如何確定產生共振的不穩定區域沒有有效辦法。（3）工件成本高，損壞將造成巨大浪費[2]。鋁合金工件成本價格昂貴，某些零件在加工過程中為消除殘余內應力，還要經過去應力回火的熱處理工序。大型箱體結構零件的鋁合金材料毛坯體積大、鑄造成本高，加工過程中刀具的快速磨損和破損極易造成尺寸超差或零件報廢，給加工人員造成較大壓力[3]。 為解決上述問題，張光明等[4]研究了鋁合金高速切削速度對硬質合金刀具磨損的影響，郭新等[5]對鋁合金薄壁中空結構件重負荷銑削刀具壽命及刀具磨損行為進行了分析，王敬春和馮明軍[6]對球頭銑刀精銑鋁合金葉片的磨損行為進行了試驗與研究，李亞平等[7]針對 211Z 鋁合金銑削表面粗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，觀測和分析不同切削參數下硬質合金刀具的磨損狀態及微觀形貌，討論并提出有效控制刀具磨損的措施。
1、實驗材料及方法
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 ?20 mm（NASKA 刀片）和 ?25 mm（SANDVIK 刀片）。工件材料為鋁合金 7055，加工方式為單向順銑，干切。切削實驗儀器及刀具如圖 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測的準確性和信息量，采用正交實驗方法，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、結果與討論
2.1 切削參數對刀具磨損的影響
根據表 1 和表 2 正交實驗數據可得直觀分析表 3。分析表 3 可得切削 30 min 時切削參數對刀具后刀面磨損量（VB）的影響趨勢，按照極差大小，對刀具后刀面磨損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），然后是徑向切寬（0.027），最后是軸向切深（0.018）。
表 1 NASKA 刀片正交實驗參數與因素水平
表 2 SANDVIK 刀片正交實驗因素與水平
表 3 NASKA 刀片正交實驗結果分析
注：∑T 表示的是切削參數對刀具后刀面磨損量影響程度的總和，均值表示的是切削參數對刀具后刀面磨損量影響程度的平均值，極差表示的是切削參數對刀具后刀面磨損量的影響程度。
極差數據顯示每齒進給量（fz）對刀具后刀面的磨損量影響最大，同時每齒進給量（fz）還對刀具破損有著十分重要的影響。圖 2 所示為不同切削參數下 NASKA 刀片崩刃現象。由圖 2 可以看出，當 fz為 0.3 mm 時發生了崩刃現象。由實驗結果可以看出，每齒進給量（fz）對刀具破損有著顯著的影響，隨著每齒進給量（fz）的增大，刀具破損明顯增多[9]。
圖 2 不同切削參數下 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 刀具磨損機理分析
2.2.1 黏結磨損
高速切削時，接觸區的壓力升高，使刀具和工件材料實際接觸面積增加，由于兩者同時沿著刀具的前、后刀面連續移動，導致刀具表面的氧化層和其它吸附膜逐漸破壞，主要體現在刀具和剛從工件材料內部切削出的新鮮表面間形成強烈的黏結[10–12]。在接觸區壓力下的彈塑性狀態鋁合金初熔溫度為 488 ℃，一般來講，在中等偏低的切削速度下容易產生黏結磨損。圖 3 所示為刀面黏結磨損宏觀形貌，如圖可見，由于鋁合金的塑性較強，在 9000 r/min 轉速下高速切削時，黏結程度雖有所減輕但仍存在黏結現象[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）下對黏結物進行了形貌觀察和成分分析，結果如圖 4 所示。由圖 4 可知，黏結物的主要元素是 Al，還含有少量的 Mg、Zn，這是 7075 鋁合金的主要組成
成分，可以判斷這些黏結物是鋁合金工件材料，證明了在切削鋁合金材料過程中發生了輕微的黏結磨損。
圖 3 刀具（a）和后刀面（b）黏結磨損宏觀形貌（fz = 0.3 mm，ap = 1 mm，Vc = 706 m/min）
圖 4 黏結物顯微組織形貌及能譜分析：（a）掃描電子顯微形貌；（b）能譜分析
2.2.2 擴散磨損
在自帶能譜分析儀的掃描電子顯微鏡下對刀具刀刃破損處進行了形貌觀測以及成分分析，結果如圖 5 所示。由圖 5 可知，磨損處成分既包括刀具材料成分（W、Co 元素），又包括鋁合金工件成分（Al、Mg、Zn 元素），說明在切削過程中工件材料的化學元素很有可能擴散到刀具基體里面，使得刀具基體的成分發生了變化。
圖 5 后刀面磨損處顯微組織形貌及能譜分析：（a）掃描電子顯微形貌；（b）能譜分析
2.3 控制刀具磨損的有效措施
根據以上典型刀具的磨損實驗研究，提出以下控制刀具磨損的措施：（1）每齒進給量是影響刀具耐用度的關鍵因素，隨著主軸箱每齒進給量的增加，刀具耐用度的改善程度將降低[12]。（2）切削速度在500～1500 m/min 對刀具耐用度的影響不明顯，因此在許可條件下應盡量提高切削速度，這樣可同時兼顧效率和刀具耐用度。（3）根據切削參數選用原則，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、剛度及扭矩允許的條件下盡量采用高速、小進給。采用優化后的切削參數進行切削，可保證零件加工精度，有效地控制刀具磨損量，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金刀具的磨損行為進行了實驗研究，觀測和分析了不同切削參數下硬質合金刀具的磨損狀態及微觀形貌，討論了切削參數對刀具磨損的敏感程度，得出了刀具磨損受切削參數的影響程度：每齒進給量＞切削速度＞切削寬度＞切削深度。
（2）高速切削鋁合金材料時，刀具的主要失效機理突出體現在黏結磨損和擴散磨損，其中前刀面的黏結情況明顯較后刀面嚴重。
（3）提出了有效控制刀具磨損的措施，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、剛度及扭矩允許的條件下盡量采用高速、小進給。該措施在保證零件加工精度的同時可有效地控制刀具磨損量，延長刀具使用壽命，具有一定的實際推廣價值
來源：運城職業技術學院機電工程系 內蒙古工業大學機械學院 內蒙古第一機械制造集團有限公司
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