程耀楠，劉利，吳明陽，王海婷，敖曉春

(哈爾濱理工大學“高效切削及刀具”國家地方聯(lián)合工程重點實驗室，黑龍江哈爾濱150080)

超重型切削加工過程中，工件材料去除量達50%，背吃刀量可達30 mm以上，切削力最大可達1 MN，切削溫度可達1000℃以上，是一種特殊的斷續(xù)切削過程［1］，硬質(zhì)合金刀具與工件表面的接觸狀態(tài)(如切削深度ap和切削寬度aw)時刻處于不斷地變化中，并且粗糙的大型零部件毛坯鍛件(以加氫反應器的大型筒節(jié)為例)表面金屬雜質(zhì)中富含高硬度元素氧化物(SiO2、MnO和Cr2O3等)與刀具存在著非常激烈的摩擦［2］。因此，刀具時刻承受著變載荷高溫沖擊和機械沖擊的作用。在超重型切削過程中，交變的高溫沖擊將會導致硬質(zhì)合金刀具切削區(qū)域軟化進而產(chǎn)生熱疲勞。在這種情況下，倘若刀具受到驟變機械沖擊作用便會發(fā)生高溫失效現(xiàn)象，如:高溫塑性變形、撕裂甚至被工件反切。目前，大部分研究認為:切削熱載荷以某種方式引起了刀具力學性能的變化［3］。Boston和Gilbert最先研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具在斷續(xù)切削過程中前刀面很容易會產(chǎn)生熱裂紋［4］。緊接著Zorew N.N.進一步提出在退出切削瞬間刀具表面溫度低于內(nèi)部溫度，由此產(chǎn)生的拉應力會破壞刀片體原始應力平衡［5］。Braiden P.M.和Hoshi T.近期研究發(fā)現(xiàn)，刀具內(nèi)部的塑性變形才是刀具失去切削硬度的真正原因［6］。在超重型切削過程中，刀片參與切削區(qū)域產(chǎn)生的高溫對硬質(zhì)合金刀具的磨損速度以及切屑與刀具之間的摩擦具有極大地影響。本文進行超重型切削過程中硬質(zhì)合金刀具高溫力學特性的研究。

1 切削熱產(chǎn)生及影響分析

1.1 切削熱產(chǎn)生及影響分析

一般情況下，當材料發(fā)生的是彈性變形，那么加工所消耗的能量將轉(zhuǎn)化為材料的應變能，而不產(chǎn)生熱量。相反，當材料產(chǎn)生的是塑性變形，那么加工過程所消耗的能量將大部分轉(zhuǎn)化為熱量。而切削所消耗的功率可表示為［7］

式中:Fz為主切削力，vc為切削速度。

在超重型切削過程中，工件切削區(qū)域材料發(fā)生極大的塑性變形，而彈性變形只占總變形量極小的百分比，因此，在研究過程中可假設全部能量轉(zhuǎn)化為切削熱。能量轉(zhuǎn)化為切削熱主要產(chǎn)生于切削區(qū)域的2個主要塑性變形區(qū)(如圖1所示):第一變形區(qū)和第二變形區(qū)。圖1為相同牌號硬質(zhì)合金刀具(角度參數(shù)一致)切削同一種材料切削區(qū)域的溫度分布分析云圖，其中圖1(a)和圖1(b)分別是在仿真軟件Third Wave進行的超重型切削與常規(guī)切削仿真分析云圖。

圖1 切削過程中切削熱仿真分析Fig.1 Simulation analysis of cutting heat in cutting process

依圖1所示，工件X點向刀具方向運動，在接近和通過第1變形區(qū))時處于受熱狀態(tài)，離開后被切屑帶走。而Y點會先后通過第1和第2變形區(qū)(刀-屑接觸區(qū))，在其離開切削區(qū)域前一直處于受熱狀態(tài)，過后將熱量傳遞給切屑而冷卻，直到整個切屑溫度穩(wěn)定。因此，在距刀尖一定距離的前刀面上某部分區(qū)域出現(xiàn)最高溫度。工件Z點受第1變形區(qū)影響而升溫，而第2變形區(qū)的部分切削熱傳遞給刀片，且超重型切削過程中的切削熱主要分布于刀-屑接觸面并沿后刀面一定深度方向上傳遞。根據(jù)熱傳遞定律，超重型切削過程中的熱量函數(shù)關系為［8］

式中:Qm為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切削熱總量，Qc為單位時間內(nèi)傳遞給切屑的熱量，Qw為單位時間內(nèi)傳遞給工件的熱量，Qt為單位時間內(nèi)傳遞給刀具的熱量。

通常，常規(guī)切削時流經(jīng)前刀面的切屑流動速度很快，能帶走大部分熱量。而在超重型切削過程中，大切深ap和低切削速度vc導致刀-屑-工件接觸時間較長，從而造成工件-刀-切屑間接觸區(qū)域的溫度變化大體相同的情況(即溫度高低和變化數(shù)值相似)。因此，分析研究超重型切削過程中硬質(zhì)合金刀具的高溫力學行為，應當以分析研究刀-屑接觸區(qū)的溫度分布特點為前提。

硬質(zhì)合金刀具與切屑的接觸面平均溫度計算可以通過假設剪切面與刀具前刀面的溫度變化不會相互影響來實現(xiàn)。因此，單位時間單位面積由刀-屑接觸面的摩擦產(chǎn)生的熱量Q2為［9］

式中:ωf為刀具前刀面的摩擦能，h為刀-屑接觸長度，J為熱功當量。

欲求解刀-屑接觸面的溫度，首先可以先求出切屑的溫度變化量Δθf。同樣的，將切屑視為半無限體，假設刀-屑間熱傳遞關系如圖2所示，那么由刀-屑接觸面摩擦產(chǎn)生的熱量Q2，若傳遞給切屑的熱量為λ2Q2，則由刀-屑接觸面摩擦引起的刀具前刀面溫度變化值為［10］

式中:λ2和k2分別為在溫度條件下切屑的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)。

為求出λ2的值，必須先計算出刀具前刀面的平均溫度。因此，可將刀具視為在固定的物體表面存在著穩(wěn)定的熱源來求解。圖2表示的是切削過程中刀具的切削刃與熱源間的關系，Y軸表示參與切削的切削刃;XY表示刀具的前刀面;ABCD四點構(gòu)成穩(wěn)定的面熱源，熱源面積為:2m×2l，且在半無限體上以Y軸為對稱軸處于靜止狀態(tài);而硬質(zhì)合金刀具片可視為1/8無限體。因此，在這種穩(wěn)定狀態(tài)下的平均溫度變化值Δ，可根據(jù)Kelvin熱傳導理論計算獲得［11］

式中:為面積系數(shù)，是面熱源形狀比m/l的函數(shù)。

圖2 超重型切削過程中熱源分析模型Fig.2 The heat source model in extra-heavy cutting

圖3為面積系數(shù)與面熱源形狀比m/l的函數(shù)關系曲線圖。圖中Am是與刀具前刀面溫度分布的最大值相對應的面積系數(shù)。在超重型車削時，面熱源形狀比m/l=i/h。因此，根據(jù)式(6)，刀具前刀面的平均溫度計算公式為

式中:k3為在溫度條件下刀具的導熱系數(shù)，θ0為環(huán)境溫度。

綜合式(5)和式(7)可求得λ2值為

如果將λ2值代入式(5)和式(7)便能計算出超重型刀具前刀面的平均溫度的值，從而研究在特定溫度條件下硬質(zhì)合金刀具的力學性能特點(這里主要是指切削硬度)。

圖3 面積系數(shù)與形狀比的函數(shù)關系曲線Fig.3 Function relation curve of area coefficient and form ratio

1.2 切削溫度對硬質(zhì)合金刀具變形抗力的影響

所謂變形抗力是指在一定的加載條件下和一定的變形溫度、速度條件下，引起承載物體塑性變形的單位變形載荷的大小。超重型切削過程中，刀具承受著工件施加的沖擊載荷(單向壓縮載荷)［12］，因此，其變形抗力就近似等于流動應力。

刀具的溫度越高，其機械性能受到的影響越明顯(特別是切削硬度)。圖4曲線可以說明，隨著溫度的升高，刀具的強度指標和塑性指標的變化情況。從圖中可知，硬質(zhì)合金刀具在約200℃時，其變形抗力略微減小，但其塑性變形有所提高。溫度繼續(xù)升至500℃左右時，其塑性顯著降低，但其強度卻有所提高。出現(xiàn)這種情況，主要是因為金屬在溫升過程中的時效效應，在金屬受熱和承載部位的滑移面上有碳化物質(zhì)點析出。溫度繼續(xù)升高，造成強度的連續(xù)顯著降低。當溫度接近1250℃時，強度極限僅為初始狀態(tài)的0.1倍左右。

圖4 切削溫度對硬質(zhì)合金刀具變形抗力的影響Fig.4 Influence of cutting temperature on deformation resistance of cemented carbide cutter

在許多學者實驗工作基礎上，H.C.Кхулну Краков研究表明，對于沒有物理-化學轉(zhuǎn)變的硬質(zhì)合金，在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，其強度指標(硬度、流動極限及強度極限)會隨溫度變化呈指數(shù)函數(shù)關系變化(H.C.Кхулну Краков 定律)［13-14］，該定律的數(shù)學表達式為

式中:Pt1是在溫度為t1時硬質(zhì)合金的強度指標數(shù)值，Pt2是溫度為t2時硬質(zhì)合金的強度指標數(shù)值，α是溫度系數(shù)。

在無物理-化學轉(zhuǎn)變的溫度范圍內(nèi)，對具體的金屬或合金而言，溫度系數(shù)α為常數(shù)。在溫度為1100～1250℃范圍內(nèi)，硬質(zhì)合金的塑性有降低的現(xiàn)象發(fā)生，這主要是因為在變形體內(nèi)同時存在2種不同性能的金屬相，這就加劇了硬質(zhì)合金內(nèi)部應力和變形狀態(tài)的不均勻性。通常情況下，所有金屬及其合金，在再結(jié)晶溫度下具有最高的塑性，低的強度指標和低的變形抗力［15］。

綜合圖4可看出，切削過程中當硬質(zhì)合金刀具切削區(qū)域被加熱到熱變形溫度時(開始喪失切削硬度)，塑性的提高是由于其金屬原子的熱動性增強及材料軟化所引起的(如圖5(a)所示，軟化金屬微觀相)。同時，隨著其塑性化程度的增加也會產(chǎn)生一些其他現(xiàn)象，例如，在熱變形溫度下，硬質(zhì)合金刀片在刀-屑接觸區(qū)往往會形成數(shù)微米的硬化層(如圖5(b)所示)。

圖5 熱變形溫度條件下硬質(zhì)合金刀片微觀組織形貌Fig.5 Microstructure of cemented carbide cutter in distortion temperature

硬質(zhì)合金刀具的高溫硬度特性，不僅決定了其切削的有效性，同時也影響了其使用壽命。切削區(qū)域的高溫環(huán)境容易引起刀具材料喪失切削硬度，波動機械沖擊載荷會使刀片參與切削區(qū)域產(chǎn)生高溫疲勞，進而引起高溫失效情況的發(fā)生，如:高溫塑性變形和撕裂(主要是刀-屑粘結(jié)作用引起的)以及工件反切。而粘結(jié)破損是超重型切削過程中硬質(zhì)合金刀具高溫失效過程中最先發(fā)生也是較為常見的一種失效形式。硬質(zhì)合金刀具中富含Co元素，該元素與工件材料中的Fe屬同族元素，親和力較強，在高溫和高壓狀態(tài)下刀具材料軟化［16］，其粘結(jié)相Co元素與工件材料中的Fe等元素容易熔融在一起從而形成破損初期的刀-屑粘結(jié)現(xiàn)象(如圖6所示)［17-18］。因此，保證硬質(zhì)合金刀具的高溫力學性能的前提是保證其具有良好的高溫硬度特性。

圖6 硬質(zhì)合金刀具粘結(jié)破損形貌Fig.6 Bonding breakage morphology of cemented carbide cutter

2 切削溫度測量及刀具高溫硬度實驗

超重型切削過程中，切削溫度很高(特別是刀具主切削刃附近，溫度更是高達1 000℃左右)。切削溫度上升，容易引起刀具材料軟化，降低其抗磨損性能。因此，分析研究硬質(zhì)合金刀具和工件材料在不同溫度條件下的硬度變化特點，總結(jié)其變化規(guī)律性是研究刀具高溫力學特性的基礎。

2.1 實驗方案

實驗一:在大型立車上進行高溫高強度鋼2.25Cr-1Mo-0.25V的切削。先對W330接觸式測溫儀進行標定，接著將其傳感觸頭與主切削刃距離切削刀尖某距離處進行接觸固定以測量切削溫度和熱量變化情況，通過熱力學傅里葉定律(如式(10))反推出刀尖附近的切削溫度值。

式中:k為刀具材料的導熱系數(shù);A為熱傳遞面積;x為熱傳遞面上的坐標;t為溫度，dt/dx為刀具沿x方向上溫度變化率。

實驗二:室溫20℃(工廠環(huán)境溫度);實驗設備:萬能硬度計U9000(實驗力加載時間為5 s)、管式箱式高溫爐(最高溫度1300℃);刀具材料:YT15硬質(zhì)合金(工廠現(xiàn)用牌號)、SCS和WF硬質(zhì)合金(實驗設備與實驗件如圖7所示);工件材料:2.25Cr-1Mo-0.25V鋼、42CrMo和45鋼。

硬度是將試塊加熱到所需溫度，并保溫一段時間后在U9000萬能硬度計上測量的。載物臺用高溫石棉網(wǎng)(極限抗高溫3000℃)、高硬隔熱墊等材料(在不影響載物臺穩(wěn)定性前提下)進行隔熱保護處理，測量采用一次性的球錐菱形壓頭，實驗壓力為60g。由于載物臺進行隔熱保戶處理，可盡可能的降低試塊的溫度損失，確保其載荷作用溫度接近刀具切削時所處的溫度范圍。由于實驗在常溫下進行，因此壓塊所處的外部環(huán)境與刀具工作環(huán)境近似。

圖7 測量設備及試件Fig.7 Measuring equipment and specimens

2.2 實驗結(jié)果討論與分析

2.2.1 超重型切削溫度

根據(jù)熱傳遞原理，刀具材料的熱常數(shù)k、ρ和c都是溫度的常數(shù)。依據(jù)Loewen等學者的研究，如果對k、ρ和c取平均值，可以做出理論曲線B如圖8所示。切削實驗表明，切削速度對切削溫度的影響較大。通過實驗將所測數(shù)據(jù)描繪至圖中，可以看出理論計算值和實驗結(jié)果相比較，二者的變化情況極為一致。因此，理論分析硬質(zhì)合金刀具前刀面的溫度模型是有效可靠的。

圖8 刀－屑接觸界面溫度與切削速度關系Fig.8 Relationship between temperature and cutting speed in contact interface of insert-chip

需要注意的是，本實驗采用W330接觸式測溫儀測量切削溫度時，只能獲得刀-屑接觸面上的某點的平均溫度，因此結(jié)果誤差比較大。實際切削過程中，從切削刃到切屑與前刀面的接觸區(qū)域處，切削溫度是越來越高的。因此，本實驗的主要缺點是無法直接測量切削過程中的最高切削溫度。

通常，工件材料的去除率與切削速度和進給量成正比。有研究表明，進給量對切削溫度的影響小于切削速度對切削溫度的影響。本實驗的結(jié)果表明，要獲得最大的材料去除率和最大的刀具使用壽命，應當采用盡可能大的進給量。這是因為增大進給量比增大切削速度對切削溫度升高的影響要小，低的切削溫度能延緩硬質(zhì)合金刀具的高溫軟化。

2.2.2 高溫硬度

實驗過程中分別對3種硬質(zhì)合金材料和3種工件材料進行了高溫硬度試驗，采集了相關數(shù)據(jù)，從而繪制出硬度隨溫升變化的關系圖9。

圖9 硬質(zhì)合金與工件材料高溫硬度特性曲線Fig.9 High temperature hardness curve of cemented carbide and workpiece

圖9(a)為溫升與不同牌號硬質(zhì)合金刀片切削區(qū)域硬度關系曲線。從曲線上可以看出，3種牌號硬質(zhì)合金硬度隨著溫度的升高而下降，其中WF牌號硬質(zhì)合金硬度下降趨勢較為平緩，而SCS和YT15 2種硬質(zhì)合金在某一高溫情況下(分別約為:700℃和800℃)硬度有上升的現(xiàn)象產(chǎn)生，研究發(fā)現(xiàn)在這種溫度下硬質(zhì)合金發(fā)生了高溫氧化，但是氧化層是有一定的深度范圍的，只有達到一定的深度范圍才能使合金材料的表面硬度上升，即硬化效應。當隨著溫度升高后，不同合金相間以及相同合金相間的結(jié)合強度被弱化的速度和程度超過了合金表面的再氧化(或二次氧化)速度時，合金材料便會出現(xiàn)機械強度軟化的行為，即合金軟化效應。

圖9(b)為溫升與不同工件材料切削區(qū)域硬度關系曲線。當溫度在20～600℃范圍內(nèi)時，3種工件材料的硬度下降比較平緩。在溫度超過600℃后，3種材料的硬度下降比較明顯，但2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的硬度下降總體最為平緩。從硬度上對比，按順序依次增強:45 鋼、42CrMo、2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼，這也從側(cè)面反映了2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的韌性高于前2種材料，同時更好的證實了此種材料具有高溫粘性和高溫韌性的特點。綜合分析圖9可知:雖然刀具材料和工件材料硬度隨溫度的上升而下降，但在1 000℃前SCS和WF仍具有切削所需的硬度值;而YT15在1 000℃時較軟，容易產(chǎn)生高溫失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，驗證了溫度對硬質(zhì)合金刀具變形抗力具有明顯的影響作用。

3 重型硬質(zhì)合金刀具抗高溫措施

通過以上的實驗與分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具材料與工件材料的硬度隨著溫度的升高而降低，然而工件材料硬度的降低有利于切削加工，刀具材料硬度的降低會影響到刀具的使用壽命，不利于切削加工。所以，在較高的切削溫度條件下盡可能的保證刀具材料的切削硬度，對提高硬質(zhì)合金刀具的使用壽命和高效性顯得極為重要。

圖10(a)中的YT15重型焊接硬質(zhì)合金刀具，刀具前角為0，沒有斷屑槽和涂層，目前在大型零件重型切削加工過程中依然被大量使用。但是這種刀具使用壽命低，在超重型切削條件下非常容易破損、失效，尤其是在高溫、高壓作用下的失效。因為，此刀具前角為0，導致切削過程中切削力大，消耗切削功率增大，切削區(qū)域的摩擦加劇，加上沒有斷屑槽，導致切屑變形區(qū)的擠壓變形非常嚴重，這些因素都將產(chǎn)生大量的切削熱，在沒有涂層的保護下，硬質(zhì)合金刀具直接受到切削熱的作用，很難保證正常的切削壽命。所以非常有必要對重型切削刀具設計進行優(yōu)化和改進。

圖10 重型切削刀片F(xiàn)ig.10 Heavy cutting cutter

3.1 刀具幾何結(jié)構(gòu)

圖10(b)中的刀具XF8為優(yōu)化設計的重型切削可轉(zhuǎn)位刀具，擁有4個切削刃，提高了刀具的利用率。通過分析大型零件的超重型切削特點，采用理論計算的方法確定了XF8的尺寸及幾何角度。XF8采用10°的正前角和倒梯形斷屑槽，可以減小切削功率，降低切屑與前刀面的摩擦程度，從而減少切削熱的產(chǎn)生，斷屑槽可以增加切屑的斷屑頻率，從而使切屑帶走大量的切削熱。從根本上減小切削熱對重型硬質(zhì)合金刀具材料的作用。

3.2 刀具涂層

根據(jù)超重型切削對刀具機械性能的要求，尤其要考慮刀具材料的硬度、抗磨損性能與斷裂韌性的相互制約性等問題，因為硬度提高，韌性不可避免的降低。解決這個問題可以通過刀具表面強化處理技術(涂層技術)來實現(xiàn)［19］。

因此，在選擇適當?shù)挠操|(zhì)合金基體后，需要在基體上涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的涂層材料，目前較為合適的涂層材料有:TiN、TiCN、A12O3等［20-21］。而將多種涂層材料通過采用復合涂覆的方法，使硬質(zhì)合金刀具具有全面、良好的綜合機械性能。作者所在團隊已經(jīng)研發(fā)出一種新型超重型切削刀片，并且應用了復合涂層技術(涂層結(jié)構(gòu)如圖10所示)。TiCN涂層一般厚度為3 μm，硬度可達到HV2 000～3 000，有很好的耐磨性和耐燒結(jié)性，并且熱膨脹率與硬質(zhì)合金基體相似，不與其他涂層起反應，因此可作為復合涂層的底層。A12O3硬質(zhì)涂層具有高熔點、高硬度、優(yōu)異的熱和化學惰性等特點，適合涂覆前刀面和復合涂層的中間層。

TiN外觀顏色為黃色，其表面硬度達HV3000(表面洛氏硬度 HR88.6)，而涂層厚僅有3～5 μm，不易影響工件尺寸與形狀精度，同時能使刀具表面具有耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等特殊功能，因此適合涂覆硬質(zhì)合金刀具的后刀面和刀片底部，起到減少切削熱向刀桿傳遞的作用，從而減小切削熱對刀桿的影響。涂層能有效的提高刀具抗高溫性能，同時較好地解決了刀具強度和韌性之間的矛盾，減小了刀具粘結(jié)破損出現(xiàn)頻率和磨損速率，大大提高了刀具的使用壽命和切削速度，并可節(jié)約材料資源、降低能耗。

3.3 刀具壽命對比

在大型6.4 m立式車床上進行XF8和YT15刀具切削2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應器筒節(jié)實驗，選擇5組接近實際加工的切削參數(shù)，以軸向切削長度作為刀具壽命測定方式。如圖11所示，在5組切削參數(shù)下，XF8的壽命是YT15的2～5倍。

圖11 XF8和YT15刀具壽命對比Fig.11 The cutter life comparison of XF8 and YT15

4 結(jié)論

通過理論分析、數(shù)值計算模擬以及高溫性能試驗相結(jié)合的方法，在超重型切削過程中切削熱產(chǎn)生機理及硬質(zhì)合金刀具高溫力學特性等方面進行研究，研究結(jié)果如下:

1)對超重型切削和普通切削2.25Cr-1Mo-0.25V鋼過程進行了有限元仿真，并通過理論分析建立了硬質(zhì)合金刀具刀-屑接觸界面切削溫度模型，結(jié)合切削實驗，驗證了切削溫度模型的有效性及可靠性。

2)通過溫升實驗，分析溫升過程中硬質(zhì)合金硬度與溫度的關系，揭示了硬質(zhì)合金刀具硬度性能的溫升規(guī)律。發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金材料硬度隨著溫度升高而減小，YT15在1 000℃時硬度明顯減低，力學性能容易發(fā)生變化;3種工件材料中45號鋼的硬度最高，其次是42CrMo，但是它們隨溫度升高，硬度下降最明顯，而2.25Cr-1Mo-0.25V鋼硬度下降平緩，從側(cè)面證實其具有高溫粘性和高溫韌性。在1 000℃時，硬質(zhì)合金和工件材料的硬度分別下降了28%和60%左右。

3)綜合分析實驗結(jié)果，提出了實現(xiàn)硬質(zhì)合金刀片抗高溫性能的提效措施，即從刀具幾何結(jié)構(gòu)和復合涂層技術兩方面進行優(yōu)化設計和刀具表面強化技術，提高其耐高溫、耐磨、抗氧化等性能。通過5組切削參數(shù)下的刀具壽命對比實驗，證實優(yōu)化設計的重型切削刀具XF8的壽命是YT15的2～5倍。

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