硬質合金刀具月牙窪磨損定量化實驗研究

時間＼2017-10-11

鈦合金對一個國家的國防、經濟和科技發展具有重要的戰略意義，主要應用於航空航太領域，但鈦合金是典型的難加工材料，在加工過程中，給刀具耐用度帶來了嚴重的影響，

常有前刀面月牙窪磨損、邊界磨損、微崩刃磨損甚至破損等發生[1]。月牙窪磨損對金屬切削過程有很大影響。Li等[2]在採用熱力耦合有限元模型對工具鋼進行正交切削模擬的研究中發現，月牙窪大小對刀具- 切屑接觸面間應力和切削溫度的大小、分佈以及切屑的形成有很大的影響。同時研究表明，月牙窪尺寸越大，切屑捲曲半徑越大。Hartung等[3]在用硬質合金刀具車削鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)的研究中發現，

月牙窪磨損會影響刀具使用壽命，這是因為在切削過程中刀具後刀面磨損比較穩定，對刀具壽命影響不大，但當月牙窪寬度發展到其前緣與切削刃之間的棱邊變得很窄時，會嚴重降低切削刃抗彎強度，致使切削刃發生塑性變形，反過來會加劇後刀面的磨損，進而影響刀具的使用壽命。Zhang等[4]在用非塗層硬質合金刀具高速銑削TC4的研究中發現，月牙窪磨損和後刀面磨損相交於刀具主切削刃，

並延伸至刀具副切削刃，致使切削刃高度下降。另外，Zhang等[4]和Sun等[5]研究發現，隨著月牙窪最大磨損深度KT的增加和切削刃高度的下降，會引起刀具前角的變化，進而引起進給力的變化，甚至造成刀具破損。Wei等[6]在用硬質合金刀具車削TC4的研究中發現，月牙窪影響刀尖處壓力，進而影響刀具磨損和使用壽命。

一些學者對硬質合金刀具切削鈦合金TC4過程中刀具磨損做了定量研究。

Kuttolamadom等[7]採用逆向工程方法求解了刀具磨損體積，即採集刀具磨損表面資料點雲並導入到逆向工程軟體Rapidform XOR/Redesign中生成CAD參數化模型，然後將模型導入到三維建模軟體(UG、SolidWorks等)中，利用軟體自帶的功能求得刀具磨損體積。Kuttolamadom等[8]在金屬去除量一定的條件下，提出M比值(見(1)式)來定量分析刀具每次走刀時的切削效率；另外定量分析了晶粒大小對刀具磨損體積的影響，

指出碳化鎢(WC)晶粒較小的硬質合金刀具磨損體積明顯低於WC晶粒較大的硬質合金刀具[9]；並且還研究了刀具磨損體積和刀具磨損率與工件材料去除率之間的關係[10]；還推導出了刀具磨損體積的預測模型，並提出了一種判定刀具使用壽命的新方法[11]。

(1)

式中：Vw為工件材料去除體積;Vt為刀具磨損體積。

KT是表徵月牙窪磨損程度最重要的物理量，很多學者對其展開了深入研究。Shimada等[12]研究了塗層材料對硬質合金刀具月牙窪磨損KT值的影響，

研究結果表明：與TiN/TiBC複合塗層相比，TiCN塗層具有更好的抑制KT增長的能力。Attanasio等[13]對硬質合金刀具車削AISI 1045鋼進行了三維模擬，模擬結果得到的KT值與實驗值基本一致。另外，還採用有限元模型對非塗層硬質合金ISO P40刀具車削AISI 1045鋼進行了模擬，模擬結果得到的月牙窪磨損輪廓與實驗所得結果基本一致[14]。然而，僅用KT值來衡量月牙窪的磨損程度是不充分的，因為KT並不總能反映月牙窪磨損量的大小(例如磨損體積)以及磨損演變的快慢。

通過上述分析可以看出，雖然有關月牙窪磨損的研究已經做了很多工作，但有關月牙窪磨損演變進程和磨損體積的研究卻很少見。本文通過定量研究切削參數對月牙窪磨損演變進程的影響，闡述了切削參數對月牙窪磨損演變進程和磨損速率的影響規律，在此基礎上，實現了月牙窪磨損體積的求解，並闡述了切削速度、進給率和工件材料去除率對月牙窪磨損體積的影響規律。月牙窪磨損體積的定量研究，對於合理選擇切削參數，進一步優化切削過程具有一定的指導意義。

1 實驗條件

在幹切削條件下，採用非塗層細晶粒硬質合金刀片(SNGA120408，KW10, KYOCERA)對TC4圓柱棒料(直徑為100 mm，長度為200 mm)進行車削實驗，研究切削參數對刀具月牙窪磨損演變進程和月牙窪磨損體積的影響。刀具材料成分為WC和Co，晶粒平均尺寸為1 μm，實驗設計方案如表1所示。在切削過程中，刀具前角為-6°，後角為6°，刃傾角為4°，主偏角為75°，切削長度保持在95～100 mm之間。

表1中：v為切削速度，f為進給率，ap為切削深度。

使用由日本JEOL公司生產的JSM6010掃描電子顯微鏡，採集刀片月牙窪磨損形貌，採用由日本OLYMPUS公司生產的OLS4100 LEXT鐳射共聚焦顯微鏡，提取刀片月牙窪磨損表面資料點雲。由某一切削參數下，掃描電子顯微鏡得到的月牙窪磨損形貌(見圖1(a))可以看出，一層厚厚的工件材料隨機粘結在月牙窪磨損表面上，不利於切削參數對月牙窪磨損演變進程和磨損體積的研究。將濃硝酸和氫氟酸按照一定比例進行混合[15]，將已磨損刀片浸入其中一段時間，以去除月牙窪磨損表面上的粘結層，去除粘結層後的月牙窪磨損形貌如圖1(b)所示，表明粘接層去除效果良好。

表1 實驗設計方案

Tab.1 Cutting parameters for experiment

圖1 月牙窪磨損形貌(v=100 m/min，f=0.075 mm/r，ap=1.5 mm)Fig.1 Crater wear morphologies of a worn cutting tool (v=100 m/min, f=0.075 mm/r, ap=1.5 mm)

2 資料分析

刀具磨鈍標準依照國家標準GB/T 16461—1996中的規定，即當後刀面平均磨損寬度VB達到0.3 mm，或後刀面最大磨損寬度VBmax達到0.6 mm，亦或KT值達到由(2)式所決定的值時，認為刀具達到磨鈍標準。在鐳射共聚焦顯微鏡內測得不同切削參數下的VB值如表2所示，KT值如表3所示。由表2和表3可知，所有切削參數下刀片均在磨鈍標準範圍內。

KT=0.06+0.3f. (2)

表2 不同切削參數下後刀面磨損寬度VB

Tab.2 Flank wear widths in the case of different cutting parameters mm

表3 不同切削參數下月牙窪最大磨損深度KT

Tab.3 Crater depths in the case of different cutting parameters μm

2.1 月牙窪形貌描述方法

採用等高線圖來描述月牙窪的磨損形貌。等高線是一條封閉曲線，月牙窪磨損表面上具有相同磨損深度h的一系列點位於同一條等高線上。利用鐳射共聚焦顯微鏡採集月牙窪磨損表面上各個點的磨損深度，並將採集到的資料點雲導入到MATLAB軟體中。為了便於研究，將月牙窪磨損表面上所有點的磨損深度四捨五入到與其相近的整數(單位μm)，運用MATLAB軟體中自帶的contourf函數得到月牙窪磨損形貌(如圖2所示，以切削參數v=100 m/min，f分別為0.050 mm/r、0.075 mm/r、0.100 mm/r、0.125 mm/r為例)相應的等高線圖 (見圖3)。對於刀具月牙窪磨損形貌等高線圖，由切削刃塑性變形造成的部分等高線不是封閉曲線(見圖3(d))。提取某一磨損深度下的等高線(見圖4)，依據(3)式分4種情況(①、②、③和④)計算等高線所包圍的面積(簡稱等高線面積)。

圖2 去除粘接層後不同進給率下月牙窪的磨損形貌(v=100 m/min，放大倍數80)Fig.2 Crater wear morphologies after removing adhesion layers at different feed rates (v=100 m/min,80×)

圖3 不同進給率下月牙窪磨損形貌的等高線圖(v=100 m/min)Fig.3 Contour maps of the crater wear morphologies at different feed rates (v=100 m/min)

Sh=∑ΔlΔb,

(3)

式中：Sh為某一磨損深度h對應的等高線面積(mm2)；Δl、Δb分別為等高線所圍區域面積微元的長度和寬度(mm)。

圖4 等高線實測圖Fig.4 Measured contour line

由此得到不同切削參數下，不同磨損深度h對應的等高線面積(如表4所示為某一切削參數下不同磨損深度對應的等高線面積)。注意：所有等高線面積對應的磨損深度從4 μm開始，是因為刀具表面並不是絕對地光滑，磨損深度在[0 μm，3 μm]範圍內時，與前刀面未磨損區域的表面粗糙度值相當，因此磨損深度在[0 μm，3 μm]範圍內的等高線面積不予考慮。當f=0.125 mm/r時，磨損深度從6 μm開始，是因為磨損深度在[4 μm，6 μm]時，月牙窪周邊區域受到切屑的刮擦，而變的粗糙不平整，因此其對應的等高線面積不予考慮。

表4 不同磨損深度對應的等高線面積(v=80 m/min,f=0.075 mm/r，KT=16.406 μm)

Tab.4 The area of contour region at different wear depths (v=80 m/min, f=0.075 mm/r, KT=16.406 μm)

2.2 月牙窪磨損演變進程

圖5 不同切削參數下等高線面積與其磨損深度的關係曲線Fig.5 Relationship between the area of contour region and its wear depth in the case of different cutting parameters

提取不同切削參數下不同磨損深度對應的等高線面積，如圖5所示，在工件材料去除體積一定的情況下，增加切削速度或進給率，等高線面積均會增加，表明月牙窪磨損加劇。這是由於增加切削速度或進給率，均會引起切削溫度的增加，高溫一方面會引起刀具材料基體硬度的降低[16]，另一方面Jawaid等[17]、Zhang等[18]和Bai等[19]研究表明：高溫加速刀具基體中黏結劑Co元素的擴散，造成工件材料基體抗彎強度的降低，因而增加切削速度或進給率均會加劇刀具月牙窪的磨損。

由圖5還可看出，不同切削參數下(v=80 m/min，f=0.050 mm/r除外)，等高線面積與其磨損深度近似呈線性關係。當v=80 m/min，f=0.050 mm/r時，KT=3.617 μm，月牙窪磨損不明顯，等高線面積與其磨損深度的關係不予考慮；當切削速度和進給率較大時，如當v=100 m/min，f=0.125 mm/r時，由圖5可知，等高線面積與磨損深度雖然近似呈線性關係，但在磨損深度較小的區域，等高線面積隨磨損深度線性增加的趨勢變緩；這是由於此時KT值較大，刀具- 切屑作用區域主要集中於月牙窪磨損深處，對於磨損深度較淺處，刀具- 切屑相互作用的程度較低；同時，當切削速度和進給率非常高時，切削溫度的升高造成切削刃塑性變形增加，切削刃高度下降，等高線主要沿遠離切削刃的方向擴展，且面積增加速率逐漸降低；當切削速度和進給率進一步增大時，等高線面積甚至不會再進一步增加。

綜上所述，該月牙窪磨損演變規律適用於表徵中等切削參數下硬質合金刀具切削鈦合金的加工過程。

2.3 切削參數對月牙窪磨損演變速率的影響

為了研究切削參數對月牙窪磨損演變快慢的影響，用月牙窪磨損演變速率表達單位月牙窪磨損深度下等高線面積的變化量，以表徵月牙窪沿其磨損深度方向磨損的快慢程度。由上述對圖5的分析可知，等高線面積與其磨損深度近似呈線性關係，因此採用1階多項式對其進行擬合，提取擬合直線的斜率，該斜率即為月牙窪磨損演變速率。由此不難看出，擬合直線斜率越大，月牙窪磨損演變速率越大，表明月牙窪沿其磨損深度方向磨損越快。

提取不同切削參數下擬合直線的斜率，如圖6所示，保持進給率恒定，隨著切削速度的增加，月牙窪磨損演變速率逐漸降低。在進給率較大時，月牙窪磨損演變速率隨切削速度的變化曲線明顯低於進給率較小時的情況，如f=0.125 mm/r對應的月牙窪磨損演變速率曲線明顯低於f=0.100 mm/r、0.075 mm/r和0.050 mm/r對應的月牙窪磨損演變速率曲線。這是因為進給率比較大時，單位時間內金屬去除量增大，切屑所帶走的剪切熱和摩擦熱亦增多，切削溫度的提高比較緩慢[1]，因此月牙窪磨損演變速率降低。

圖6 月牙窪磨損演變速率隨切削速度的變化曲線Fig.6 Relationship between the developing rate of crater wear and cutting speed

2.4 切削參數對月牙窪磨損體積的影響

2.4.1 磨損體積的求解

在已知各磨損深度對應的等高線面積的基礎上，可根據(4)式求得月牙窪磨損體積，但在上述2.1節的分析中，磨損深度在[0 μm，3 μm]時等高線面積未被考慮，但在上述對圖5的分析中可知，等高線面積與其磨損深度近似呈線性關係，因此可通過線性擬合得到的直線預測磨損深度在[0 μm，3 μm]處的等高線面積。即已知等高線面積與其磨損深度變化關係的擬合曲線(見(5)式)，令h分別為0 μm、1 μm、2 μm、3 μm，依次求得S0、S1、S2、S3，再利用(4)式求得月牙窪磨損體積。基於上述方法，依次求得各切削參數下月牙窪的磨損體積，如表5所示。

(4)

式中：V為月牙窪磨損體積(mm3)；Δh為相鄰兩等高線面積對應的磨損深度的高度差(μm)。

Sh=kh+c,

(5)

式中：k、c為擬合係數。

表5 不同切削參數下月牙窪磨損體積V

Tab.5 Volume of crate wear in the case of different cutting parameters mm3

2.4.2 切削參數的影響

為了分析切削速度和進給率對月牙窪磨損體積的影響，提取不同切削參數下的月牙窪磨損體積，如圖7所示，月牙窪磨損體積隨著切削速度或進給率的增加而增加。

圖7 月牙窪磨損體積隨切削參數的變化曲線Fig.7 Relationship between the volume of crater wear and cutting parameter

2.4.3 工件材料去除率的影響

工件材料去除率Z，即單位時間內工件材料的去除體積(mm3/min)。工件材料去除率[20]可表示為

Z=1 000vfap.

(6)

在切削深度一定的情況下，工件材料去除率可綜合考慮切削速度和進給率對月牙窪磨損體積的影響。分別求得不同切削參數下對應的工件材料去除率。注意：當m組切削參數((v1，f1)，(v2，f2)，…,(vm，fm))對應的月牙窪磨損體積(V1，V2，…，Vm)產生同一個工件材料去除率Z時，該工件材料去除率Z對應的月牙窪磨損體積為上述m組切削參數對應的月牙窪磨損體積的平均值(Va=(V1+V2+…+Vm)/m)。分別提取不同工件材料去除率對應的月牙窪磨損體積，如圖8所示。由月牙窪磨損體積隨工件材料去除率的變化趨勢可知，月牙窪磨損體積隨工件材料去除率近似呈二次函數形式增加，對其進行二次多項式擬合(擬合函數如(7)式所示，擬合誤差為0.000 651 9)。

V=10-6(6.73×10-5Z2-0.308 1Z-0.855 5).

(7)

圖8 月牙窪磨損體積隨工件材料去除率的變化曲線Fig.8 Relationship between the volume of crater wear and material removal rate

由圖8和(7)式可知，隨著工件材料去除率的增加，月牙窪磨損體積近似呈二次函數形式增加，而如前所述，工件材料去除率綜合考慮了切削速度和進給率的影響，因此比切削速度和進給率更能綜合反映切削參數對月牙窪磨損的劇烈程度；另外，如表6所示，Z=11 250 mm3/min時的月牙窪磨損體積比Z=12 000 mm3/min時的月牙窪磨損體積大；同時當Z=15 000 mm3/min時，切削速度高時月牙窪磨損體積大；可知與進給率相比，切削速度對月牙窪磨損體積的影響起主導作用，這與切削速度對切削溫度的影響起主導作用相一致。

表6 工件材料去除率接近或相等時月牙窪的磨損體積

Tab.6 Volumes of crater wears at the same/similar material removal rates in the case of the different cutting parameters

3 結論

在幹切削條件下，對非塗層細晶粒硬質合金刀具切削鈦合金TC4過程中，刀具前刀面形成的月牙窪進行了一種定量化實驗研究。實現了切削參數對月牙窪磨損演變速率和磨損體積影響規律的定量研究，可為優化金屬切削加工提供必要的理論和實驗基礎。在中等切削參數條件下，具體結論為：

1) 隨著切削速度的增加，月牙窪面積沿磨損深度方向的變化逐漸變小，月牙窪沿其磨損深度方向的磨損速率逐漸降低。

2) 在工件材料去除體積一定的情況下，月牙窪磨損體積隨切削速度或進給率的增加而增加，表明增加切削速度或進給率，均會加劇月牙窪的磨損。

3) 隨著工件材料去除率的增加，月牙窪磨損體積近似呈二次函數形式增加，而工件材料去除率綜合考慮了切削速度和進給率的影響，因此工件材料去除率比切削速度和進給率更能綜合反映切削參數對月牙窪磨損的劇烈程度。

4) 當不同切削參數對應的工件材料去除率相近或相等時，切削速度起主導作用，即切削速度大時，月牙窪磨損體積會更大，即月牙窪磨損會更嚴重。

作者簡介：王凱(1988—)，男，博士研究生。E-mail：wangkai1988222@163.com

王凱，孫劍飛，杜大喜，陳五一

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因為KT並不總能反映月牙窪磨損量的大小(例如磨損體積)以及磨損演變的快慢。