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(shù)下硬質合金刀具的磨損狀態(tài)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(guī)律研究較少，在實際生產(chǎn)中對換刀沒有統(tǒng)一的企業(yè)標準，往往根據(jù)工作人員的操作經(jīng)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(tài)下的刀具失效具有十分重要的影響，加工現(xiàn)場對該類型機械加工工藝的研究和經(jīng)驗積累不多，面對種類繁多的高速切削生產(chǎn)狀況，基本依靠工人的實際加工經(jīng)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(qū)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(wěn)定性[2]。但是，企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場對如何確定產(chǎn)生共振的不穩(wěn)定區(qū)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(nèi)應力，還要經(jīng)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(shù)下硬質合金刀具的磨損狀態(tài)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(shù)字光學顯微鏡；（b）機夾式立銑刀
為了減少實驗次數(shù)，同時不降低各實驗數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)對刀具磨損的影響
根據(jù)表 1 和表 2 正交實驗數(shù)據(jù)可得直觀分析表 3。分析表 3 可得切削 30 min 時切削參數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)對刀具后刀面磨損量的影響程度。
極差數(shù)據(jù)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(shù)下 NASKA 刀片崩刃現(xiàn)象。由圖 2 可以看出，當 fz為 0.3 mm 時發(fā)生了崩刃現(xiàn)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(shù)下 NASKA 刀片崩刃現(xiàn)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(qū)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(xù)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(xiàn)在刀具和剛從工件材料內(nèi)部切削出的新鮮表面間形成強烈的黏結[10–12]。在接觸區(qū)壓力下的彈塑性狀態(tài)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(chǎn)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(jù)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(jù)切削參數(shù)選用原則，建議切削參數(shù)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(yōu)化后的切削參數(shù)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(shù)下硬質合金刀具的磨損狀態(tài)及微觀形貌，討論了切削參數(shù)對刀具磨損的敏感程度，得出了刀具磨損受切削參數(shù)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(xiàn)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(shù)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(yè)技術學院機電工程系 內(nèi)蒙古工業(yè)大學機械學院 內(nèi)蒙古第一機械制造集團有限公司
投稿箱：
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關新聞稿件發(fā)表，或進行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關新聞稿件發(fā)表，或進行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
業(yè)界視點
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年7月 新能源汽車銷量情況
- 2025年7月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 軸承出口情況
- 2025年7月 分地區(qū)金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 新能源汽車銷量情況
- 2025年6月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 軸承出口情況
- 2025年6月 分地區(qū)金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 新能源汽車銷量情況