Al2O3基陶瓷刀具車削300M超高強度鋼的刀具壽命研究*

劉維民 艾 興 趙 軍 王寶林

（山東大學機械工程學院，山東濟南 250061）

300M超高強度鋼具有超高的強度、高的硬度以及韌性好等優良的綜合性能，被廣泛應用于航空航天工業，特別適于制造飛機起落架等關鍵承力構件［1］。但從加工性能的角度看，是一種典型的難加工材料［2］。切削加工過程中產生的切削力大、切削溫度高，使得切削速度低、刀具壽命短，直接影響到它的加工效率。

目前國內外加工高強度鋼主要選用硬質合金、陶瓷刀具和CBN刀具［3－6］。硬質合金刀具的耐熱溫度相對較低，不適于高速切削加工;CBN刀具的整體性能比較優異，適于高速切削加工，但是由于價格因素，其應用受到了限制;陶瓷刀具耐熱性好，高溫化學性質穩定，適合于高速切削加工［7－9］。其中Al2O3基陶瓷刀具性能優、價格低，在高速加工高強度鋼時應用較多。

本文對Al2O3基陶瓷刀具高速干車削300M超高強度鋼中的刀具磨損及刀具壽命進行了研究，并通過對刀具壽命的分析，為Al2O3基陶瓷刀具干車削300M超高強度鋼提供較為合理的切削參數。

1 試驗部分

1.1 試驗條件

試驗在PUMA200MA數控車床上進行（最高轉速為6 000 r/min），工件材料是調質熱處理后的300M超高強度鋼棒料，硬度為42±3 HRC，其成分見表1。刀具采用Al2O3基陶瓷刀片，牌號為LTZ1（采用熱壓燒結工藝自制），刀具前角 －5°，后角 5°，主偏角 45°，帶負倒棱。

在試驗中選用后刀面磨損量VBmax=0.6 mm作為刀具磨鈍標準，使用工具顯微鏡測量后刀面的磨損量。試驗結束后，采用掃描電鏡（SEM）和能譜分析技術（EDS）對磨損后的陶瓷刀具進行觀察分析，研究陶瓷刀具切削300M超高強度鋼時的磨損形貌。

表1 300M超高強度鋼的化學成分（wt%）

1.2 刀具壽命模型

根據廣義泰勒壽命公式，切削過程中刀具壽命與切削參數（切削速度v、進給量f和切削深度ap）呈指數變化，可用下列指數函數表示［10］:

式中:C為切削系數;v為切削速度，m/min;ap為切削深度，mm;f為進給量，mm/r;b1、b2、b3為切削指數。

將式（1）兩邊取對數，得到下列線性方程式:

將式（2）簡化后，可得三元線性方程的一般式:

建立刀具壽命的線性回歸方程，用矩陣形式表示:

式中:ε為試驗隨機變量誤差。

根據最小二乘法，設b0、b1、b2、b3分別為 β0、β1、β2、β3的最小二乘估計，則線性回歸方程為:

由式（6）求出回歸系數:

式中:X'為X的轉置矩陣，（X'X）－1為X'X的逆矩陣。

為獲得刀具壽命經驗公式，采用了對角正交回歸法安排試驗［11］，這可以有效地減少試驗次數，節省試驗時間。對角正交回歸法的試驗條件為:切削速度300 m/min、600 m/min;進給量 0.05 mm/r、0.2 mm/r;切削深度0.1 mm、0.2 mm。切削試驗的切削用量組合、水平編碼及試驗結果見表2。

表2 試驗參數、水平編碼及試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 刀具磨損

圖1、圖2為陶瓷刀具達到磨鈍標準后的磨損形貌SEM照片和EDS分析圖，分析可知，其損壞形態主要為前刀面磨損和后刀面磨損。

前刀面磨損主要為粘結磨損。分析圖1b、d發現前刀面粘結了大量工件材料，這是由于在切削過程中產生的切削溫度很高，導致刀具材料與切屑接觸處相互作用引起粘結，隨著切屑的不斷流出，粘結微粒不斷被撕裂帶走，造成了前刀面的粘結磨損。

分析圖2a知，后刀面磨損區上存在條紋狀溝槽，是典型的磨粒磨損。300M超高強度鋼中含有Cr、Ni、Mo、Si等元素，易形成硬質點，使得切削加工變得困難。在切削加工過程中，后刀面與工件材料相互摩擦，這些硬質點在刀具材料上劃出一道道溝槽，形成磨粒磨損。分析圖2b、c知，在后刀面磨損區中粘結了少量工件材料，在磨損區邊緣也出現了粘結，由于在后刀面上產生的切削溫度和壓力較前刀面小，所以粘結程度相對輕微。

由上述分析可以看出，粘結磨損和磨粒磨損是Al2O3基陶瓷刀具高速干車削300M超高強度鋼時的主要磨損機理。

2.2 壽命分析

根據上述刀具壽命模型理論，對表2中的數據進行處理，得到如下刀具壽命經驗公式:

式中:T為刀具壽命，min。

從刀具壽命經驗公式可以看出，切削速度對刀具壽命的影響最大，其次為切削深度，進給量的影響最小。在高速切削時，工件材料與刀具材料之間的摩擦加劇，使得切削溫度升高，惡化了刀具的粘結磨損;而且在高速下，由于機床振動等因素，刀具受到的沖擊力也會增大，這都會影響刀具的使用壽命。

圖3所示為Al2O3基陶瓷刀片在不同切削條件下后刀面磨損量與切削加工時間的關系。圖3中1號、2號曲線的切削速度為300 m/min，兩者有相同的變化趨勢:切削初期，約在0～9 min，刀具后刀面的磨損量快速增加;切削中期，約在9～20 min時段，刀具后刀面的磨損量平緩增加;切削后期，時間約在20 min之后的磨損量急劇增加，刀具迅速達到磨鈍標準。

圖3中3號、4號曲線的切削速度為600 m/min，可以清楚地看出其變化趨勢基本相同，并未出現切削速度為300 m/min時的三段變化趨勢，后刀面的磨損量一直急劇增加，刀具在不到10 min的時間內就達到了磨鈍標準，說明刀具不能承受600 m/min的切削加工速度。因此該陶瓷刀片車削300M超高強度鋼時，切削速度的選擇應小于350 m/min。

綜合以上考慮，并依據刀具壽命公式，在使用該Al2O3基陶瓷刀片干式車削300M超高強度鋼時，建議切削參數為:切削速度200～300 m/min、切削深度0.1～0.15 mm、進給量0.05～0.1 mm/r。

3 結語

應用對角正交回歸法對Al2O3基陶瓷刀片干式車削300M超高強度鋼的刀具壽命進行了研究，得到了以下結論:

（1）Al2O3基陶瓷刀片干式車削300M超高強度鋼時的磨損機理主要是粘結磨損和顆粒磨損;

（2）獲得了Al2O3基陶瓷刀片干式車削300M超高強度鋼的刀具壽命經驗公式，為優化300M超高強度鋼切削參數優化提供了可靠的依據;

（3）Al2O3基陶瓷刀片干式車削300M超高強度鋼時的合理切削參為:切削速度200～300 m/min、切削深度0.1～0.15 mm、進給量0.05～0.1 mm/r。

［1］趙振業.航空高強度鋼的理論、發展和應用［J］.材料工程，1991（2）:29－31.

［2］韓榮第，于啟勛.難加工材料切削加工［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［3］張保國，陳志同，熊曦耀，等.涂層刀具銑削加工300M鋼的刀具磨損試驗研究［J］.航空精密制造技術，2008，44（2）:41 －44.

［4］劉志兵，王西彬，楊洪建.陶瓷刀具干銑削超高強度鋼的試驗研究［J］.工具技術，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］艾興.高速切削加工技術［M］.北京:國防工業出版社，2003.

［8］鄧建新，趙軍.數控刀具材料選用手冊［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［9］劉獻禮，陳波，嚴復鋼，等.PCBN刀具的選擇與使用［J］.機械工藝師，1998（10）:14 －16.

［10］仇啟源，龐思勤.現代金屬切削技術［M］.北京:機械工業出版社，1989.

［11］陳章燕.研究切削過程的新方法［J］.北京工業學院學報，1989，15（2）.