高速鋼刀具淬火溫度與可靠性壽命評定實驗

王鐵流，席昭俠

(1.浙江水利水電學院機械電子工程系，浙江杭州 310018;2.寧波中意液壓馬達有限公司，浙江寧波 315200)

高速鋼具有高硬度、高耐磨性、良好的紅硬性和工藝性，作為金屬切削刀具的材料一直被廣泛采用。目前，高速鋼刀具仍占據著刀具市場的主導地位［1］。高速鋼的優良性能只有通過正確的淬火和回火才能充分發揮出來，淬火與回火質量是決定高速鋼熱處理質量的關鍵。高速鋼的回火溫度基本上是一致的，而不同牌號的高速鋼淬火溫度卻不同，雖然每一種牌號的高速鋼都有其規定的淬火溫度，但是，影響高速鋼熱處理質量的因素很多，除淬火溫度、加熱時間和冷卻速度以及回火規范外，質量效應也是影響工件硬度的重要因素［2］。所以，針對具體的高速鋼工件，又有其合適的加熱溫度。如果溫度過低，合金碳化物溶解不充分，奧氏體中碳化物和合金元素含量不足，使高速鋼發揮不出優良的性能 (硬度、熱硬性不足，耐磨性低等)。如果溫度過高或加熱時間過長，又會引起碳化物聚集，奧氏體晶粒長大，造成產品過熱。如果淬火溫度再高，還會因過燒而使工件報廢。

本文作者針對W6Mo5Cr4V2高速鋼A3.15中心鉆產品進行了淬火溫度與刀具壽命試驗，分析、計算了不同淬火溫度對應的刀具壽命。

1 試驗方案

為便于準確地測量大、小直徑圓柱部分的硬度值，采用部分A3.15中心鉆的等效試件，如圖1所示。

圖1 淬火試件

試件共7組，每組15支，等效試件和產品試件分別為5和10支。淬火時各組淬火溫度分別為1 180、1 185、1 190、1 195、1 200、1 205、1 210℃。淬火前進行330～350℃和830～850℃兩次預熱，淬火后560℃回火3次，每次2 h。與淬火溫度對應的產品試件完成所有工序并檢驗合格后，每組抽5支進行性能與壽命切削試驗。切削試件材料為40Cr，調質處理，硬度HB200～220，切削速度10 m/min，進給量0.04 mm/r，5%乳化油水溶液充分冷卻，以第三次出現嚴重叫聲或出現崩刃達到CH=0.8 mm為壽命判斷標準［3］。刀具小徑、大徑的淬火硬度和壽命的試驗結果如表1所示。

表1 試驗數據與評定結果

2 刀具壽命

刀具壽命是一把新刀具從開始投入使用直到報廢為止的總切削時間，刀具耐用度是指刀具從開始切削到磨飩為止的切削時間，其等于刀具耐用度乘以重磨次數。對于不需要重磨的刀具，刀具壽命就等于刀具耐用度。耐用度越高，壽命越長。

2.1 平均壽命

傳統上在確定某種或某批刀具壽命時，常以抽樣的方法確定試驗樣本大小，計算各樣本壽命的平均值ˉT。

式中:Ti為任意刀具的耐用度;n為樣本大小。

2.2 壽命變異系數

刀具壽命變異系數CV(也稱差異系數、離散系數、標準差率)是指被評定的某種或某批刀具壽命的標準差系數，它是刀具可靠性的重要指標之一，反映刀具實際工作的穩定性。變異系數越小，刀具可靠性就越高。

式中:S為標準差，

當CV=0.2時，可以認為性能良好;CV=0.2～0.35時，可以認為性能合適［4］。

3 刀具可靠性壽命

刀具可靠性是指刀具在規定的切削條件下和規定的切削時間內，完成規定切削作業的能力。刀具可靠度 (或耐用可靠度)是指刀具在規定的切削條件下和規定的切削時間內，能夠完成規定切削加工的概率［5］。刀具可靠性高低用刀具的可靠度值衡量。切削過程中，影響刀具磨損的因素很多，在切削加工中盡管保持切削條件和參數不變，但由于工藝系統誤差和隨機誤差的存在，刀具耐用度值會發生一定的離散，有時刀具耐用度的值會相差數倍［6－7］。隨著制造業的發展，現代機械加工的自動化程度越來越高，數控機床、柔性制造和集成制造系統的應用也越來越廣，這些設備所使用的各類刀具必須穩定、可靠。然而，由于切削過程是一個隨機過程，切削過程中的各項參數都是隨機變量，而刀具壽命又是由這些隨機參數共同決定的，所以也必然是一個隨機變量，具有隨機變動的特性，即具有離散性。這種情況下用刀具的平均壽命確定刀具的使用條件，就有很大的局限性。因此，針對刀具的具體應用，應在考慮平均壽命的基礎上，根據刀具的可靠性指標來綜合評價刀具的壽命。

3.1 可靠性模型

在不同加工條件下，應根據不同的目的，采用不同的可靠性指標。刀具的耐用度是時間的函數，可表示為

式中:F(t)為不可靠度;PF為失效概率，PF=F(t)。

由于可靠度R(t)是時間t的函數，對可靠度R(t)的定量必須先確定刀具耐用度的概率分布形式。盡管刀具耐用度有離散性，但是它們的離散實際上也是有規律的，可以通過現場或實驗的數據進行回歸分析，確定它們服從哪一種概率分布。常見的幾種概率分布有［8］:

(1)正態分布

當刀具處于正常磨損階段時，磨損是線性的，即具有恒定不變的失效率。而且在離散系數小于0.4的情況下，刀具的磨損耐用度分布適合于采用正態分布。

(2)對數正態分布

刀具在非線性磨損情況下，如刀具前刀面上月牙洼的磨損，離散系數大于0.4，刀具的磨損耐用度分布適合于采用對數正態分布。

(3)威布爾分布模型

當刀具失效率與時間有關時，刀具發生破損的耐用度分布可用威布爾分布模型描述。

此外，常見的還有伽瑪分布、極值分布和二重指數分布。

3.2 刀具可靠性壽命計算

經驗證明，一般金屬切削刀具的耐用度大多屬于正態分布，也有呈現威布爾分布的。試驗和研究表明，當刀具耐用度的隨機變量接近于標準正態分布時，指定概率為P時刀具的耐用度值TP可按下式計算［4］

式中:Φ(x)為標準 (正態)分布的數值，

由此可知，TP與刀具耐用度的平均值及耐用度的變異系數有關。所以，刀具的可靠性指標也可用ˉT與CV來綜合衡量。而TP是評定刀具切削性能好壞的總指標。表1列出了可靠度分別為0.5、0.85、0.90，和0.95時刀具壽命的計算結果。圖2為表1的淬火溫度與可靠性壽命關系曲線。從圖2可以看出，當可靠度分別為0.5、0.85、0.90和0.95時，刀具的可靠性壽命分別為264.6、171.2、149.1和119.6，對應的淬火溫度分別為1 185、1 185、1 185和1 200℃。從本次實驗的結果可以看出，在可靠度要求較低(P≤0.9%)的場合，采用1 185℃淬火溫度為宜，在可靠度要求較高 (P≥0.95%)的場合，采用1 200℃淬火溫度為宜。

圖2 淬火溫度與可靠性壽命關系曲線

4 結論

影響刀具熱處理質量的因素眾多，除材料本身成分、尺寸等因素外，淬火加熱溫度、淬火加熱時間、淬火冷卻速度、回火規范都是影響高速鋼硬度的因素，而且壽命切削試驗本身也受一定的隨機因素影響。在自動化切削加工技術中，刀具可靠性壽命研究具有十分重要的地位，也是一項復雜而艱巨的任務，需要通過大量的試驗積累數據，才能相對準確地確定刀具的壽命。

［1］宋學全，劉秀英，趙黎娟.高速鋼刀具材料及熱處理工藝選擇［J］.國外金屬熱處理，2005，26(1):30 －33.

［2］宛農，熊惟皓，肖建中，等.2311和2738模具鋼熱處理質量效應的數值模擬［J］.金屬熱處理，2004，29(9):63 －66.

［3］GB/T 6078.4-1998 中心鉆.

［4］葉偉昌，葉毅.刀具切削性能可靠性指標的評定方法［J］.組合機床與自動化加工技術，1991(2):31－34.

［5］郭國林，林朝平.數控刀具可靠度的分析與研究［J］.機床與液壓，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］楊廣勇，付小根.刀具耐用度的分布與刀具的可靠性［J］.水利電力機械，1995(2):47 －49.