黃華棟，徐云飛

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 精密制造工程系，江蘇 蘇州 215104)

隨著不銹鋼應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不銹鋼的切削加工進(jìn)行了大量的研究工作.龍震海[1]等對(duì)高速銑削馬氏體不銹鋼時(shí)切削力的非線性特征進(jìn)行了研究，指出高速切削馬氏體不銹鋼時(shí)切削深度和進(jìn)給量之間的交互作用對(duì)切削力有顯著影響，并且切削力與切削用量間確實(shí)存在非線性特征規(guī)律，切削用量對(duì)切削力的影響效應(yīng)隨切削用量的變化而變化.Ibrahim[2]使用CVD復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具分別對(duì)奧氏體不銹鋼在不同的切削速度下進(jìn)行車削加工，分別研究了切削速度、刀具材料及工件材料對(duì)切削力和工件表面質(zhì)量的影響.刀具磨損主要決定于刀具材料、工件材料的物理機(jī)械性能和切削條件，直接影響加工效率、質(zhì)量和成本[3].高效切削的關(guān)鍵技術(shù)是先進(jìn)的刀具、良好的機(jī)床性能以及合理的工藝參數(shù)[4].

由于奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9切削時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)小、粘性大，使得其切削加工性能很低，即使在較低的切削速度、進(jìn)給量下也容易產(chǎn)生很高的切削溫度，并且刀具易磨損、粘刀[5-6].研究奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9在不同切削時(shí)間下的刀具磨損情況，結(jié)合切削力實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)改進(jìn)加工工藝，提高刀具的使用性能以減少刀具消耗，提高加工功效具有重要的意義.

1 材料和方法

在磨損實(shí)驗(yàn)中，選取了外圓直徑Φ40 mm的0Cr18Ni9不銹鋼工件作為試樣進(jìn)行干切削，同時(shí)選取2個(gè)YBC151硬質(zhì)合金涂層刀片上的4個(gè)刀刃分別進(jìn)行了試車，時(shí)間計(jì)量精確到1 s.對(duì)于車削的刀片，使用KYKY北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)的KYKY-EM3200掃描電子顯微鏡，對(duì)切削刀具各磨損區(qū)域形態(tài)進(jìn)行放大拍照取樣，并使用SEM Image圖像處理軟件對(duì)其磨損區(qū)域的大小進(jìn)行標(biāo)尺測(cè)量.

研究硬質(zhì)合金刀具在同一切削參數(shù)和不同的切削時(shí)間下，刀具前刀面的磨損及后刀面的擦蝕變化情況.基于切削力測(cè)量試驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)，選擇切削用量的參數(shù)為切削速度99 m/min、切削深度0.8 mm、進(jìn)給量0.16 mm/r.刀具磨損試驗(yàn)切削時(shí)間見表1.

表1 刀具磨損試驗(yàn)切削時(shí)間

2 結(jié)果及分析

2.1 前刀面磨損比較

前刀面磨損的微觀形態(tài)，分別取放大倍數(shù)為50、150、500等倍掃描電鏡的SEM圖進(jìn)行比較和分析.通過(guò)SEMImage圖像處理軟件對(duì)4個(gè)刀刃的前刀面的磨損情況進(jìn)行測(cè)量.

1)1號(hào)刀刃前刀面磨損見圖1.切削時(shí)間為240 s，從前刀面的磨損情況可以看出，磨損剛剛開始，月牙洼有初步的形貌，但是寬度較小，還沒(méi)有完全的形成，離主切削刃還有一小段距離.從刀尖及主切削刃看，這些部位出現(xiàn)了小塊貝殼狀的剝落現(xiàn)象，這主要是因?yàn)橛操|(zhì)合金的表面涂層(TiCN、TiC)等脆性很大的材料在切屑的擠壓作用下，形成的積屑瘤在脫離前刀面的同時(shí)引發(fā)切削刃附近的拉、壓應(yīng)力的交替變化，從而導(dǎo)致在切削刃附近產(chǎn)生微裂紋，隨著切削的繼續(xù)，裂紋將不斷擴(kuò)展，最終引起剝落.同時(shí)可以注意到在主切削刃上已經(jīng)出現(xiàn)了不銹鋼材料的粘結(jié)，由于切屑連續(xù)通過(guò)前刀面，在其上面也出現(xiàn)了不銹鋼材料的粘結(jié).同時(shí)，由于刀具在車削不銹鋼0Cr18Ni9材料時(shí)，切屑中的Ti顆粒在刀具表面產(chǎn)生耕犁作用，在前刀面可以看到明顯的磨料磨損造成的劃痕現(xiàn)象.

2)2號(hào)刀刃前刀面磨損見圖2.切削時(shí)間為480 s， 從2號(hào)刀刃的磨損情況可以看出，隨著切削時(shí)間的增加，月牙洼長(zhǎng)度、寬度逐漸增大，在副切削刃靠近刀尖圓弧處已形成月牙洼磨損.而隨著切屑、工件材料和刀具間的不斷相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀具材料中的粘結(jié)相Co元素就會(huì)被粘結(jié)到切屑和工件材料中，被切屑和工件材料帶走，從而也就會(huì)在刀具的前刀面引起粘結(jié)磨損，經(jīng)放大磨損處發(fā)現(xiàn)，與邊界磨損面相連處的表層組織容易被剝落或有輕微崩刃現(xiàn)象.并且隨著切削的進(jìn)行，前刀面的積屑瘤逐漸消失，而殘留的積屑瘤碎片等硬質(zhì)點(diǎn)，也會(huì)對(duì)前刀面造成不同程度的劃傷.

3)3號(hào)刀刃前刀面磨損見圖3.切削時(shí)間為720 s，從3號(hào)刀刃的磨損情況看，前刀面的月牙洼磨損寬度增加并不明顯，但是長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，深度上也有所增加.隨著切削時(shí)間的增加、溫度的上升，粘結(jié)磨損進(jìn)一步增大，硬質(zhì)合金中的Co迅速地?cái)U(kuò)散到切屑、工件中去，WC分解為W和C后擴(kuò)散到不銹鋼中，因切屑、工件都在高速運(yùn)動(dòng)，刀具表面和它們的表面在接觸區(qū)保持著擴(kuò)散元素的濃度梯度，從而有擴(kuò)散磨損，并使得刀具磨損加劇.

4)4號(hào)刀刃前刀面磨損見圖4.切削時(shí)間為960 s，前刀面月牙洼磨損長(zhǎng)度繼續(xù)增大，工件邊緣處的月牙洼磨損寬度最大，已與切削刃相連.在刀尖圓弧處可以明顯發(fā)現(xiàn)表層組織大片剝落并發(fā)生磨損.在主切削刃處，由于受到反復(fù)的熱應(yīng)力、摩擦應(yīng)力和接觸應(yīng)力作用，并伴隨著強(qiáng)烈的機(jī)械和熱沖擊，再加上硬質(zhì)合金硬度高、脆性大，又是粉末燒結(jié)材料，組織可能不均勻.加上由于0Cr18Ni9材料中存在較多促使刀具磨損的因素，具有熱傳導(dǎo)率較低的特點(diǎn)，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量很難擴(kuò)散，致使刀具溫度很高，切削刃受熱影響很明顯，從而加速刀具的擴(kuò)散磨損；另外，不銹鋼材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，出現(xiàn)成分析出、脫落，或生成其他化合物，都增加磨損現(xiàn)象的產(chǎn)生；這些因素積累到一定時(shí)間，使主切削刃出現(xiàn)明顯的崩刃現(xiàn)象.

通過(guò)SEMImage圖像處理軟件對(duì)4個(gè)刀刃的前刀面的磨損情況進(jìn)行了測(cè)量，得到結(jié)果：1號(hào)到4號(hào)刀具的月牙洼磨損長(zhǎng)度分別為1.555，1.726，1.898，1.968 mm；磨損平均寬度分別為0.209，0.223，0.232，0.247 mm；磨損最大寬度分別為0.372，0.484，0.492，0.517 mm.各刀刃前刀面磨損比較見圖5.

從圖5可以看出，隨著切削時(shí)間的增加，前刀面月牙洼磨損長(zhǎng)度增大，當(dāng)增大到一定長(zhǎng)度后，增加趨緩；月牙洼磨損平均寬度基本上均勻增大，由于月牙洼的寬度取決于切屑的寬度，所以數(shù)值變化很小；月牙洼磨損最大寬度同樣呈均勻增大的趨勢(shì)，最大寬度集中在刀尖圓弧附近及主切削刃靠近工件外表面處.

2.2 后刀面磨損比較

后刀面磨損是由于加工表面和刀具后刀面存在著強(qiáng)烈的摩擦而產(chǎn)生的，在后刀面上毗鄰切削刃的地方被磨出的后角為零的小棱面.在切削速度較低、切削厚度較小的情況下，切削塑性材料及加工脆性材料時(shí)，主要發(fā)生后刀面磨損.

分別對(duì)4個(gè)刀刃后刀面靠近切削刃處進(jìn)行放大取樣，并作比較分析.

1)1號(hào)刀刃后刀面磨損見圖6.后刀面在磨損過(guò)程中產(chǎn)生一條磨損帶，磨損比較輕微，在靠近主切削刃的后刀面處，出現(xiàn)小面積的表面擦蝕，遠(yuǎn)離切削刃，變?yōu)辄c(diǎn)擦蝕，刀具的表面涂層已經(jīng)受到磨損而露出基體.在主切削刃上，局部出現(xiàn)微小崩刃，但刃口依然鋒利，同時(shí)部分刃口上已經(jīng)開始出現(xiàn)了不銹鋼材料的粘結(jié)現(xiàn)象.

2)2號(hào)刀刃后刀面磨損見圖7.在靠近主切削刃的后刀面處，同樣出現(xiàn)小面積的表面擦蝕，遠(yuǎn)離切削刃，變?yōu)辄c(diǎn)擦蝕，但與1號(hào)刀刃相比，磨損帶明顯變寬，整個(gè)面蝕的面積也在變大.同時(shí)在后刀面上出現(xiàn)了少許切屑，說(shuō)明在切削加工時(shí)，后刀面不光是和已加工表面有摩擦，和部分切屑也形成了摩擦.在切削刃上也已經(jīng)出現(xiàn)明顯的后刀面磨損，同時(shí)在硬質(zhì)合金刀具沿刀尖的周圍均出現(xiàn)了較嚴(yán)重的粘結(jié)現(xiàn)象.

3)3號(hào)刀刃后刀面磨損見圖8.隨著切削時(shí)間的增加，后刀面的磨損進(jìn)一步增加，在后刀面靠近切削刃處，已磨損嚴(yán)重，后刀面的基體已有部分剝落.

4)4號(hào)刀刃后刀面磨損見圖9.與之前的后刀面磨損情況相比，4號(hào)刀刃被擦蝕的面積明顯增大，磨損變深.在主切削刃部位出現(xiàn)了明顯的崩刃現(xiàn)象.

通過(guò)SEMImage圖像處理軟件對(duì)4個(gè)刀刃的后刀面的磨損量進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果分別為0.102，0.127，0.174，0.223 mm.各刀刃后刀面磨損比較見圖10.

由于不銹鋼的熱導(dǎo)率低、塑性變形大，使得粘結(jié)磨損主要集中在刀具的刀尖部位，切屑的不斷流走使得刀具材料連續(xù)不斷地被帶走，因此在刀尖部位形成了較深的凹陷，在刀尖的下方區(qū)域由于粘附層的不斷加厚，粘附點(diǎn)斷裂轉(zhuǎn)移到切屑一側(cè)，切屑在此區(qū)域形成堆積.同時(shí)隨著時(shí)間的增加，后刀面的磨損趨勢(shì)越來(lái)越快.總的來(lái)說(shuō)，后刀面與前刀面相比磨損不大.

3 刀具磨損機(jī)理分析

3.1 刀具EDAX圖譜分析

為了進(jìn)一步分析刀具磨損的原因，本實(shí)驗(yàn)對(duì)之前刀具磨損實(shí)驗(yàn)中使用的各個(gè)刀刃的磨損處進(jìn)行了能譜分析，并對(duì)其EDAX圖譜進(jìn)行了分析研究.在進(jìn)行能譜分析時(shí)，為對(duì)比研究，除了之前的4個(gè)刀刃，另增加了1個(gè)沒(méi)有進(jìn)行切削的5號(hào)新刀刃進(jìn)行分析.在每個(gè)刀刃上的取樣范圍基本上確定為各刀刃后刀面的同一位置，并進(jìn)行能譜分析，以便了解不同切削時(shí)間下磨損部位的各成分情況.

5號(hào)刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖11所示，Ti、N、O原子呈現(xiàn)較高的衍射峰，符合刀具材料涂層的特點(diǎn)，但在未進(jìn)行切削的5號(hào)刀刃的EDAX圖譜中出現(xiàn)了少量的Fe和Cr原子，可能是在進(jìn)行EDAX圖譜檢測(cè)前，該刀片被其他進(jìn)行過(guò)切削的刀片污染，而沾染到的切屑.

1號(hào)刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖12所示.和圖11相比，刀具涂層的重要成分N原子已經(jīng)不再出現(xiàn)，Ti原子的含量也從60.29%下降到1.79%，而W、C原子此時(shí)呈現(xiàn)高的衍射峰，分別達(dá)到了38.16%和31.20%，同時(shí)Co原子的含量也達(dá)到了2.34%，這充分說(shuō)明在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的切削，刀具表面和工件表面相互摩擦產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)使得刀具表面的涂層產(chǎn)生裂紋，最終喪失涂層與基體材料之間的粘合力，產(chǎn)生涂層的剝離，露出了刀具的基體材料(WC和Co).除此之外，F(xiàn)e、Cr、Mn、Ni等這些不銹鋼0Cr18Ni9材料所含的成分在圖譜中也出現(xiàn)了衍射峰，說(shuō)明在切削工件時(shí)，材料與工件的相互摩擦，已經(jīng)產(chǎn)生了粘結(jié)磨損，使得少量的不銹鋼材料被粘在刀具的表面.值得注意的是圖12中O原子的含量比圖11中有所上升，說(shuō)明在切削過(guò)程中，由于切削產(chǎn)生的高溫，使得Fe原子和空氣中的氧氣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了氧化鐵產(chǎn)物，同樣粘結(jié)在刀具的表面.

2號(hào)刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖13所示.Fe、Cr、Ni、Mn等原子的含量與圖12各原子的含量相比已大幅上升，C、W等刀具基體原子的含量已有明顯下降，而Co原子的含量則略有下降，說(shuō)明隨著切削時(shí)間的增加，刀具與工件之間的原子粘結(jié)和擴(kuò)散由表及里，逐步擴(kuò)散.粘結(jié)磨損中粘結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)，其內(nèi)在原因主要是由于刀具材料中的Co元素和工件材料中的Fe、Ni元素同屬于鐵族元素，彼此間的化學(xué)親和性很強(qiáng)，而隨著工件材料和刀具間的不斷相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀具材料中的粘結(jié)劑Co元素就會(huì)被粘結(jié)到工件材料中，被工件材料帶走，從而也就會(huì)在刀具的后刀面引起粘結(jié)磨損，而Co元素的減少會(huì)加劇刀具的磨損.

3號(hào)刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖14所示.隨著切削時(shí)間的增加，磨損進(jìn)一步增加，3號(hào)刀刃上EDAX圖譜選取的檢測(cè)區(qū)域有部分已經(jīng)剝離，此時(shí)C、Fe、W等原子均呈現(xiàn)較高的衍射峰，但C、W原子含量與圖13相比有所上升，而Fe、Ni、Cr等原子含量則有所下降.說(shuō)明隨著磨損的增加，刀具表面和材料表面會(huì)因粘結(jié)受拉和受剪而相互剝離，露出新的基體.

4號(hào)刀刃后刀面的EDAX圖譜如圖15所示.此時(shí)呈現(xiàn)較高的衍射峰的元素與圖14比較類似，只是各元素含量上略有變化，說(shuō)明在這段切削時(shí)間內(nèi)，由于不斷磨損露出的新的基體邊緣較為鋒利，事實(shí)上在該區(qū)域形成了微小的切削刃；同時(shí)在切削過(guò)程中形成了積屑瘤也粘結(jié)在這微小的切削刃上，造成不銹鋼材料的各元素比圖14略高.

3.2 刀具磨損機(jī)理分析

0Cr18Ni9不銹鋼的導(dǎo)熱性差及加工硬化嚴(yán)重，使切削區(qū)的溫度很高，在涂層刀具與工件之間容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損.刀具材料與工件材料相互粘結(jié)時(shí)的溫度對(duì)粘結(jié)劇烈程度影響很大.

由于工件材料和工件表面持續(xù)接觸摩擦，在刀具表面上施加持續(xù)的機(jī)械應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)在涂層上逐漸形成微小的裂紋.微小裂紋的擴(kuò)展會(huì)逐漸導(dǎo)致更大裂紋的形成，以及隨之而來(lái)的涂層與基體材料粘合力的喪失，最終造成涂層的剝落，使刀尖嚴(yán)重磨損.

在實(shí)際刀具切削0Cr18Ni9不銹鋼材料時(shí)，由于刀具材料中的Co元素和工件材料中的Fe、Ni元素同屬于鐵族元素，故彼此間的化學(xué)親和性很強(qiáng)，容易相互粘結(jié)；同時(shí)在車削過(guò)程中刀具切入工件時(shí)產(chǎn)生的切削熱及溫度梯度引起的壓應(yīng)力，使刀具和工件材料在高溫高壓下也容易發(fā)生粘結(jié)，造成了粘結(jié)磨損.

而隨著工件材料和刀具間的不斷相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀具和工件摩擦面的化學(xué)元素會(huì)互相擴(kuò)散到對(duì)方中去，使兩者的化學(xué)成分發(fā)生變化，從而削弱刀具的材料性能，加速刀具的磨損，產(chǎn)生擴(kuò)散磨損.如刀具材料中的粘結(jié)劑Co元素就會(huì)被粘結(jié)到切屑和工件材料中，被切屑和工件材料帶走，從而使刀具基體的性能下降.同時(shí)在切削時(shí)，在一定的溫度下，刀具材料中的一些元素與周圍某些介質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)，生成不同的氧化膜和粘附膜，有的起一定的保護(hù)作用，可防止進(jìn)一步氧化，有的形成較軟的化合物，使刀具材料中的硬質(zhì)相顆粒容易被粘走，降低了刀具的材料性能，使得刀具磨損增大.

所以，實(shí)驗(yàn)所用的YBC151硬質(zhì)合金涂層刀具切削0Cr18Ni9不銹鋼材料時(shí)，刀具磨損的主要原因是機(jī)械應(yīng)力和沖擊、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損及一定的氧化磨損.

4 結(jié)論

通過(guò)YBC151硬質(zhì)合金涂層刀具對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼進(jìn)行干切削試驗(yàn)，研究了不同時(shí)間下刀具前后刀面的磨損情況，并對(duì)后刀面進(jìn)行能譜分析，得出以下結(jié)論：

1)涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為前刀面磨損、后刀面磨損、微崩刃和涂層剝落等現(xiàn)象.

2)0Cr18Ni9不銹鋼的切削過(guò)程中，涂層硬質(zhì)合金刀具的后刀面的磨損比較輕微；而在涂層硬質(zhì)合金刀具的沿刀尖周圍均出現(xiàn)了較嚴(yán)重的粘結(jié)現(xiàn)象，在硬質(zhì)合金刀具前刀面的刀—屑接觸區(qū)域也都出現(xiàn)了較明顯的劃痕現(xiàn)象；此外，當(dāng)車削速度較低時(shí)，受積屑瘤的影響，在刀具的前刀面還出現(xiàn)了貝殼狀的剝落現(xiàn)象.

3)在切削0Cr18Ni9不銹鋼材料時(shí)，刀具磨損的主要原因是機(jī)械應(yīng)力和沖擊、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損及一定的氧化磨損，而積屑瘤的生長(zhǎng)和脫落也給刀具的磨損造成了一定的影響.

[1]龍震海，王西彬，王好臣. 難加工材料高速切削過(guò)程中切削力的非線性特征規(guī)律析因研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006(1)：30-34.

[2]IBRAHIM O H,IBRAHIM S I,TAREK A F K.Effect of aging on the toughness of austenitic and duplex stainless steel weldments[J]. Journal of Materials Science & Technology，2010(9):810-816.

[3]周澤華. 金屬切削原理[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1999:85-172.

[4]吳新平. 車輪鋼的車削機(jī)理及工藝研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2007.

[5]張幼楨. 金屬切削原理及刀具[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990:98-187.

[6]李!，張弘!，賈乾忠，等. 影響涂層硬質(zhì)合金刀具切削性能微觀因素研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(2):194-199.