低溫液氮冷卻下高速切削淬硬鋼的切屑形成及刀具磨損

吳世雄 張文鋒 劉廣東 王成勇

廣東工業大學機電工程學院，廣州，510006

0 引言

淬硬鋼因具有較高的硬度、良好的耐磨性和機械性能而被廣泛應用于模具、五金、航空航天等行業中[1]。由于獨特的材料特性，淬硬鋼可切削性不佳，是一種典型的難加工材料。隨著刀具、涂層等技術的發展以及機床性能的提高，高速切削方法逐步被應用于淬硬鋼加工，相比電火花加工等方法加工效率明顯提高。淬硬鋼高速切削目前常見的冷卻方式有干切削和冷卻液切削兩種。干切削以空氣為冷卻媒介，具有切削無污染特征，但切削中熱-力耦合問題相對突出。冷卻液切削能有效降低切削熱，相比干切削可在一定程度上延長刀具壽命，但冷卻液存在影響人身健康和危害環境的問題[2]。隨著環保意識的增強，各國出臺環保法規，企業迫切希望用環保冷卻潤滑方法替代傳統冷卻液法。考慮到淬硬鋼高速切削過程中的熱問題比較嚴重，本文以精密淬硬鋼模具和零件等制造加工為背景，以干切為對比，探索低溫液氮冷卻下的淬硬鋼高速切削機理。

干切加工是一種綠色環保的加工方式[3]，在許多加工場合有應用。然而，切削區產生的過多熱量會導致工件表面的高能量集中[4]，切削溫度升高，不僅使刀具磨損加劇，而且會降低加工表面的質量[5]。干切高速加工時鋸齒形切屑的形成會引起切削力的周期性循環轉換和高頻振動，也會影響刀具壽命并導致刀具過早失效[1]。MARUDA等[6]在不同冷卻潤滑方法下切削AISI 1045時發現，干切的刀具磨損相比其他方法增加了20%以上。YIN等[7]研究了干切淬硬鋼40Gr的刀具磨損特征，結果表明，高切削速度下刀具出現嚴重的月牙洼磨損、凹槽磨損和黏結，斷裂和溝槽磨損是主要的刀具失效形式。

低溫液氮冷卻輔助切削是在加工過程中，將液氮作為冷卻潤滑介質來獲得低溫加工環境的切削技術。低溫液氮冷卻輔助切削是一種無污染、不產生化學反應、高散熱速率的綠色切削技術，相比多種冷卻方式，液氮冷卻加工可以顯著降低切削溫度[8]，這對延緩刀具磨損和延長刀具壽命是非常有益的。RAVI等[9]在低溫液氮條件下使用TiAlN 涂層刀具銑削AISI D2 淬硬鋼時發現，液氮條件下切削溫度降低了近18%。SIAVAIAH等[10]對17-4PH不銹鋼進行車削時發現，與干切和傳統濕式加工相比，低溫液氮冷卻切削的切削溫度分別降低了61%～71%和50%～59%。PEREIRA等[11]在不同冷卻方式下車削ASP23高速鋼時發現，低溫液氮冷卻切削能夠明顯延緩刀具磨損，延長刀具壽命。KUMAR等[12]在采用硬質合金刀具切削不銹鋼時發現，低溫液氮冷卻切削的刀具磨損比干切削降低了37.5%。有幾項研究發現，低溫液氮方式會改變切屑特征。YUAN等[13]在研究低溫冷風加工Ti-6Al-4V合金時發現，低溫冷風降低了切削溫度，同時增加了切屑的脆性，從而避免切屑卷曲，利于斷屑。喬帆等[14]在切削TC4鈦合金時發現，與干切相比，低溫液氮冷卻切削的切屑鋸齒化程度和齒距分別增大了83.3%和141.2%。WELBER等[15]研究了在液氮條件下車削淬硬鋼AISI D6的切屑特征，結果表明液氮條件下切屑的平均剪切角比干切小。有研究還表明，低溫液氮冷卻切削既改變切屑特征，又改變刀具壽命，兩者互有關聯。BERMINHAM等[16]在研究低溫車削鈦合金Ti-6Al-4V的刀具壽命和切削形貌時發現，與干切相比，使用液氮冷卻方式減小了切屑厚度和刀具-切屑接觸長度，增長了44%～59%的刀具壽命。從現有研究文獻來看，對低溫液氮冷卻下淬硬鋼高速切削過程的切屑形成特征和機理、刀具壽命和刀具磨損機理的研究較為缺乏。

開展低溫液氮冷卻下的淬硬鋼高速切削研究具有積極的意義。本文以干切為對比，研究液氮冷卻下淬硬鋼高速切削的切削力、切削溫度、切屑、刀具磨損特征，結合低溫液氮的強冷卻性能，討論高速切削過程中切屑形成機理以及刀具磨損機理。

1 實驗條件及方法

切削實驗所用的工件為P20淬硬鋼。材料化學成分如表1所示。材料進行淬火處理處理后的硬度為55HRC～56HRC。材料溫度超過580 ℃時材料出現熱軟化現象[17]。工件如圖1所示，外徑為165 mm，厚度為20 mm。工件上先加工出3道寬為3 mm的圓環凸臺(對應三種切削速度)，然后進行正交切削實驗。

表1 P20鋼的化學成分(質量分數)

圖1 刀具和工件模型Fig.1 Tool and workpiece model

高速切削淬硬鋼時，切削刃需承受較大的機械載荷和熱載荷，故選擇高硬、耐磨和耐高溫的PCBN車刀片進行工，刀片材料化學成份如表2所示。刀桿和刀片(TCGW16T304)的結構如圖1所示。刀片具有負倒棱，以增強切削刃強度。刀片的刃寬4 mm(大于凸臺寬度3 mm)，前角為0°，后角為7°。刀片負倒棱長度為0.15 mm，角度為-20°。

表2 PCBN刀具的主要化學成分(質量分數)

本研究涉及干切和低溫液氮冷卻切削兩種冷卻方式。切削速度、每齒進給量和刀具磨損是主要加工參數。設主軸轉速為n(r/min)，切削接觸點處的工件直徑為d(mm)，切削速度vc(m/min)采用如下公式計算：

vc=πdn/1000

(1)

實驗中設置了兩種刀具磨損值(VB：0,0.15 mm)，其實物圖見圖2，VB=0表示刀具為一新刀；設置三種切削速度(vc：230,330,430 m/min)； 進給量f則固定為常量(f=0.1 mm/r)。具體的切削實驗分組和加工參數如表3所示。

(a)VB=0 (b)VB= 0.15 mm圖2 兩種刀具磨損實物Fig.2 The actual tool of the two tool wear

表3 實驗參數

圖3 低溫液氮冷卻高速切削實驗系統組成Fig.3 Composition of cryogenic liquid nitrogen coolinghigh-speed cutting experiment system

(a)測力原理圖

(b)原始測試結果曲線(vc=430 m/min,VB=0.15 mm)圖4 切削力測量原理圖及原始測試結果曲線Fig.4 Schematic diagram of cutting force measurementand original test result curve

低溫液氮冷卻高速切削的實驗系統如圖3所示，主要包括低溫液氮冷卻系統、機床系統和測量系統三個部分。低溫液氮冷卻系統包括液氮、液氮運輸管和專用噴嘴。采用具有良好隔離熱傳導和氣密性的氣管輸送液氮，并通過專用噴嘴實現液氮噴射至前刀面-工件切削界面。為方便排屑及冷卻，噴射方向與進給方向夾角為45°，噴嘴到刀尖距離30 mm，液氮流量15 g/s，噴嘴出口的氣體溫度可達-196 ℃。刀具和工件裝夾在CAK3665nj數控車床上，形成正交切削。測量系統包括切削力測試和切削溫度測試兩方面。切削力測試系統主要包括測力臺(Kistler 9129AA)、電荷放大器(5080A)、數據采集卡和計算機，測力原理如圖4所示。切削溫度測量采用FLIR紅外攝像儀(A655SC)，其測量精度較高，誤差為±2 ℃，熱靈敏度小于30 mK。紅外攝像儀固定放置在距加工區域1 m左右的地方，并將紅外攝像儀的焦距聚在加工區域。此外，加工后的刀具需要測量刀具磨損量，使用雙鏡頭測量儀(MA185S)測量刀具磨損，放大倍數為80～940。

2 實驗結果

2.1 切削力和切削溫度

干切和低溫液氮冷卻切削的切削合力對比如圖5所示。分析該圖可得如下結論：①當切削速度增大時，兩種冷卻條件下的切削力均隨之減小，以低溫液氮冷卻切削為例，切削速度330 m/min和430 m/min的切削合力，相比230 m/min的切削合力分別減小了8.1%和15.5%；當切削速度增大時，切削溫度升高，工件表面的軟化程度增大，從而切削力減小；②當切削速度相同時，隨著刀具磨損的增大，兩種冷卻條件下的切削力明顯增大，例如，當切削速度為230 m/min時，與VB=0相比，VB=0.15 mm時干切和低溫液氮冷卻切削下的切削合力分別增大59.1%和58.2%；③在各種參數下，低溫液氮冷卻切削相比干切的切削力更大，VB=0時，與干切相比，低溫液氮冷卻下三個切削速度的切削力分別增大了12.8%、11.6%和10.1%；VB=0.15 mm時，與干切相比，低溫液氮冷卻切削在三個切削速度下的切削力分別增大了12.2%、12.5%和12.6%。

圖5 切削力對比Fig.5 Comparison of cutting forces

干切和低溫液氮冷卻的切削溫度對比如圖6所示。①當切削速度增大時，兩種條件下的切削溫度均隨之升高，干切條件下330 m/min和430 m/min的切削溫度，相比于230 m/min的切削溫度分別升高了12.9%和22.2%；低溫液氮冷卻下330 m/min和430 m/min的切削溫度，相比230 m/min的切削溫度分別升高了15.2%和25.3%。②當切削速度相同時，隨著刀具磨損的增大，兩種條件下的切削溫度均隨之升高。例如，干切條件下切削速度為230 m/min時，VB=0.15 mm的切削溫度相比VB=0的切削溫度升高了32.4%；低溫液氮冷卻下切削速度為230 m/min時，VB=0.15 mm的切削溫度相比VB=0的切削溫度升高了36.7%。③相同參數下，與干切相比，低溫液氮冷卻切削的切削溫度更低。例如，VB=0時，與干切相比，低溫液氮冷卻下三個切削速度的切削溫度分別降低了9.5%、7.5%和7.0%；VB=0.15 mm時，分別降低了6.9%、9.9%和9.3%。液氮具有較強的傳熱、散熱及一定的潤滑減摩能力，使得切削溫度更低。

(2)高磁、激電兩種地球物理方法是尋找隱伏、半隱伏接觸交代矽卡巖礦體的常用方法，但在物探異常解釋過程中，需對獲取的疊加異常進行處理。通過向上、向下延拓，正確區分深、淺部異常，綜合各類異常特征，進行綜合評價和解釋，推測成礦富集的有利地段。

圖6 切削溫度對比Fig.6 Comparison of cutting temperatures

2.2 切屑特征

(a)VB=0

圖7為干切和低溫液氮冷卻切削的切屑形貌圖,可以看出，干切和液氮低溫冷卻切削獲得的切屑均為鋸齒狀切屑。當VB=0時，切屑的鋸齒形態較為明顯且整齊;當VB增大至0.15 mm時，切屑的鋸齒形態參差不齊，大小不一。相同加工參數下，與干切相比，低溫液氮冷卻切削的切屑鋸齒程度目測更為突出，但還需做進一步定量分析。

(b)VB=0.15 mm圖7 切屑形貌Fig.7 Chip morphology

切屑的鋸齒化程度可用于定量分析切削狀況。圖8給出了切屑的鋸齒化程度測量方法。每次測量選取5個鋸齒，求其平均值。設鋸齒狀切屑的齒根高為h，鋸齒狀切屑的齒頂高為H，鋸齒化程度GS可通過下式計算：

GS=(H-h)/H

(2)

圖8 切屑的鋸齒化程度測量示意圖Fig.8 Schematic diagram of measuring the degree ofchip sawtooth

干切和低溫液氮冷卻切削的切屑鋸齒化程度對比如圖9所示。在相同參數條件下，與干切相比，低溫液氮冷卻切削的切屑鋸齒化程度明顯更大，說明低溫液氮冷卻更利于加工過程中切屑斷屑和排出。此外，隨著切削速度的增大，兩種冷卻條件下的切屑鋸齒化程度均隨之增大。

(a)VB=0

(b)VB=0.15 mm圖9 切屑鋸齒化程度Fig.9 Degree of chip serration

2.3 刀具磨損和刀具壽命

圖10為干切和低溫液氮冷卻切削的刀具磨損對比圖，可見，當切削速度為230 m/min時，干切和低溫液氮冷卻切削的穩定磨損階段(兩紅色箭頭所夾的切削長度)分別為30 m和42 m。當切削速度為330 m/min時，干切和低溫液氮冷卻切削的穩定磨損階段分別為8 m和18 m；當切削速度為430 m/min時，干切和低溫液氮冷卻切削的穩定磨損階段分別為6 m和12 m。相比可知，當切削速度相同時，與干切條件相比，低溫液氮冷卻切削的穩定磨損階段更長，其刀具磨損進程存在一定程度的滯后。

(a)vc=230 m/min

(b)vc=330 m/min

(c)vc=430 m/min圖10 刀具磨損對比Fig.10 Comparison of tool wear

刀具壽命的測量根照國家標準GB/T 16461—2016規定[18]，當平均后刀面磨損超過300 μm時判定刀具失效。圖11為干切和低溫液氮冷卻切削的刀具壽命對比圖。在同一切削速度下，低溫液氮冷卻切削的刀具壽命更長。在切削速度分別為230 m/min、330 m/min和430 m/min時，與干切相比，低溫液氮冷卻切削的刀具壽命分別延長了28.6%、21.9%和47.1%。此外，相比之下，切削速度為430 m/min時，切削溫度較高，低溫液氮冷卻切削對刀具壽命影響的優勢更加明顯。

圖11 刀具壽命對比Fig.11 Comparison of tool life

3 討論

3.1 冷卻潤滑機理

干切和液氮的冷卻模型如圖12所示。從切削熱的產生來看，根據刀具磨損可分為兩種情況。

(a)干切

(b)低溫液氮冷卻切削圖12 冷卻潤滑模型Fig.12 Cooling lubrication model

(1)當刀具未磨損時，總切削功率P主要由切削力和切削速度決定。它是第一變形區(絕熱剪切區)消耗功率PⅠ和第二變形區(刀具-切屑接觸區)消耗功率PⅡ的總和，可根據下式計算：

P=Fvc=PⅠ+PⅡ

(3)

其中,摩擦功率PⅡ與前刀面與切屑之間的摩擦力Ff1有關，設w為切屑寬度，t0為切屑厚度，則PⅡ可以表示為

PⅡ=Ff1/(wt0)

(4)

由式(3)可知，當刀具未磨損時，第一和第二變形區的切削功將轉化為切削熱，從而導致切削區溫度升高。

(2)當刀具磨損時，后刀面與被加工面之間(第三變形區)的摩擦力(Ff 2)和摩擦功率(PⅢ)顯著增加，此時，總切削功率應由以下三個部分組成：

P=PⅠ+PⅡ+PⅢ

(5)

當切削速度增大時，第一變形區(絕熱剪切區)消耗功率PⅠ和第二變形區(刀具-切屑接觸區)消耗功率PⅡ增大，使切削熱和切削溫度升高；當刀具磨損增大時，由于后刀面與被加工面的摩擦功疊加，切削熱和切削溫度將進一步升高。因此，不論是干切還是液氮方式下，隨著刀具磨損的增大，切削溫度也相應升高。相比干切，液氮低溫氣體還具有一定的潤滑能力，能夠降低切削界面刀-屑和刀-工的摩擦，減少PⅡ和PⅢ的消耗功率，從而減小摩擦產生的熱量[19]。在本文中液氮噴射前刀面，主要通過刀-屑界面潤滑減小PⅡ功率。

從切削熱的傳導來看，在切削加工過程中，切削熱量是通過熱對流消散的，傳熱系數k主要與冷卻劑有關。熱通量q可由下式計算：

q=kΔT=k(T0-Tj)

(6)

式中，T0為物體表面的溫度；Tj為冷卻劑的溫度。

根據式(6)可知，在相同條件下，傳熱系數越大，則移除熱量的能力越強。

在圖12a所示的干切條件下，空氣為冷卻介質，傳熱系數僅為20 W/(m2·K)。除了切屑帶走一部分熱量，空氣帶走的熱量有限，因此，大量切削熱累積在切削界面，切削溫度較高。在圖12b所示的低溫液氮冷卻條件下，低溫液氮噴向刀具切削界面，一些研究表明，低溫液氮傳熱換熱能力遠遠高于干切，低溫液氮傳熱系數可達50 000 W/(m2·K)[20]。一方面，液氮噴出的強氣流能夠將切屑快速吹離，防止切屑的熱量傳入刀具和工件,另一方面，低溫液氮冷卻降低了切削熱產生，低溫液氮的強傳熱換熱能力迅速置換切削區熱量,因此，低溫液氮冷卻切削的切削區域和刀具能夠獲得極大的冷卻，切削溫度有效降低。圖6的溫度測量結果證實了該情況。

3.2 切屑形成機理

從切削速度對切屑鋸齒化程度的影響來看，當切削速度增大時，鋸齒化程度也逐漸增大。一方面，根據式(3)，切削速度增大時，消耗功率增大，在第一變形區產生大量的熱量，熱軟化效應更顯著，切屑層溫度急劇上升(圖6)；另一方面，切削速度增大時，工件材料的應變和應變率增大，晶體內原子位錯加劇，發生了較大的剪切滑移變形[21]。這兩方面中，后者對鋸齒化影響往往更大。疊加這兩方面因素影響，切削速度增大后，切屑鋸齒化程度增大。

從冷卻方式來看，低溫液氮冷卻切削條件下切屑的鋸齒化程度比干切條件下的高。在低溫液氮冷卻切削下，切削熱能得到有效抑制，從而減少了刀具-切屑接觸區的熱軟化效應。但是，在液氮冷卻下工件材料的塑性降低、硬化作用更明顯，切削過程中的切削力相比干切條件下更大(圖5)，并且，集中在第一變形區的應力相比干切削條件下更大，應變程度更大，切屑鋸齒化機理由熱塑性剪切失穩過渡到周期性脆性斷裂，導致低溫液氮冷卻切削下的切屑鋸齒化程度更大。李建明等[22]低溫切削鎳基合金Inconel 718時得到了相同的結論，低溫環境下應力應變增大、切屑形成從剪切失穩到脆性斷裂失效的過渡是導致切屑鋸齒化程度增大的原因。此外，低溫液氮冷卻切削條件下鋸齒化程度更大，反映出應力應變增大、高頻沖擊增強，可能對刀具磨損、破損造成影響。

3.3 刀具磨損和破損機理

相同參數下，低溫液氮冷卻切削的刀具壽命長于干切條件下的刀具壽命(圖10)。干切削的冷卻散熱性能不佳，高速切削的切削溫度較高，刀具易受高溫影響，刀具強度降低，刀具磨損快速；而刀具磨損后會進一步增大三個變形區界面溫度，刀具磨損進程進一步加快。低溫液氮冷卻方式具有較強的傳熱換熱能力以及一定的潤滑作用，能夠顯著降低高速切削的切削溫度，保持刀具的強度，刀具磨損相對緩慢；即便刀具磨損一定程度后，低溫液氮冷卻方式也能將切削三個變形區熱量有效降低，維持良好刀體性能，刀具磨損演化進程減緩。對兩種冷卻方式的加工刀具進一步做掃描電鏡分析和能譜分析，以便理解它們的磨損和破損機理,結果如圖13和圖14所示。

圖13a和圖13b分別為干切條件下切削速度為330 m/min和430 m/min的刀具SEM圖。在刀具的后刀面可以看到垂直于切削刃的劃痕，這表明干切加工時刀具發生了磨粒磨損。工件材料的碎屑和刀具的微剝離材料進入工件-刀具界面，它們均有較高硬度，在較高接觸應力作用下就可能形成磨粒磨損[23]。兩種切削速度下，刀具后刀面均存在明顯黏結物。能譜分析可知黏結物含大量Fe元素，這表明該區域內存在嚴重的黏結磨損。出現黏結現象主要是因為切屑在刀尖處流動速度比較低，在高應力和高溫作用下被擠壓，與后刀面發生黏結[24]。隨著切削進行，黏結物脫離還可能帶走部分刀具材料。在兩種切削速度下，均會發生明顯后刀面層片狀剝落及微崩刃，這與較大載荷沖擊和PCBN刀具的脆性有關。當切削速度增大時，黏結現象和片狀剝落程度會明顯增大。當切削速度增大時，一方面切削熱和切削溫度明顯增大，另一方面切屑的鋸齒化程度明顯增大，刀具受到的高頻振動和沖擊更劇烈，兩方面因素疊加，加劇了刀具黏結、剝落及微崩刃等現象。

(a)vc=330 m/min

(b)vc=430 m/min圖13 干切條件下的刀具掃描電鏡及能譜分析Fig.13 SEM and EDS diagram of cutting tool underdry cutting condition

(a)vc=330 m/min

(b)vc=430 m/min圖14 低溫液氮冷卻切削的刀具掃描電鏡及能譜分析Fig.14 SEM and EDS diagram of cutting tool underliquid nitrogen cooling condition

圖14a、圖14b為低溫液氮冷卻切削下切削速度為330 m/min和430 m/min的刀具SEM圖。在刀具的后刀面出現了垂直于切削刃的劃痕，這說明液氮冷卻加工過程中也發生了磨粒磨損。與干切相比，低溫液氮冷卻條件的SEM圖的后刀面黏結物明顯減少，能譜分析發現Fe元素含量明顯降低，說明液氮冷卻能夠有效緩解黏結磨損。刀具出現微崩刃和后刀面片狀剝落，倒棱區域及前刀面則剝落較小，總體來看，剝落深度比干切輕。剝落和微崩刃既是刀具沖擊磨損形式，也是刀具破損形式，與發展階段有關。當切削速度增大時，黏結現象增大。與干切相比，低溫液氮冷卻切削的傳熱散熱能力明顯提高(圖6和圖12)，有效降低了刀具-工件接觸區的溫度和工件熱軟化效應，從而顯著減小刀具的黏結現象。

此外，與干切條件相比，低溫液氮冷卻切削的切削力增大(圖5)，切屑鋸齒化程度增大(圖7)，這表明低溫液氮冷卻切削條件下刀具受到的機械應力和沖擊更大，出現片狀剝落和微崩刃的可能性更大。但從另一方面來看，刀體溫度降低會在一定程度上維持刀體強度，減緩基體剝落，圖14充分反映出這方面對刀具剝落的影響更大，最終使得低溫液氮冷卻切削方式的刀體微崩刃及后刀面片狀剝落小于干切。

4 結論

(1)與干切相比，各組實驗中低溫液氮冷卻切削的切削溫度降低了6.9%～9.9%，切削力增大了10.1%～12.8%。低溫液氮超強傳熱換熱能力有效降低了切削溫度，但其材料硬化作用使得切削力增大。

(2)液氮的冷卻機理體現在幾方面：液氮噴出的強氣流能夠將切屑快速吹離，防止切屑的熱量傳入刀具和工件；低溫液氮的強傳熱換熱能力迅速置換切削區熱量；低溫液氮對切削界面潤滑降低了切削熱產生。

(3)與干切相比，低溫液氮冷卻切削的切屑鋸齒化程度增大，原因是液氮冷卻下，第一變形區應力應變更大，切屑形成機理從絕熱剪切失穩向脆性斷裂失效過渡。當切削速度增大時，低溫液氮冷卻切削的切屑鋸齒化程度均增大，這與絕熱剪切滑移區的熱軟化效應增強、應變和應變率提高有關。

(4)與干切相比，低溫冷卻明顯降低了黏結，通過增強刀體減緩了刀具微剝落，刀具壽命延長了28.6%～47.1%。低溫冷卻下，黏結不再是主要磨損機理之一，磨粒磨損、沖擊磨損為主要磨損機理，后刀面片狀剝落和微崩刃為主要刀具破損形式。