鄭嘉燦，林有希，左俊彥

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

鈹銅合金作為一種新型高科技特種合金材料，具有高強(qiáng)度、高硬度和高彈性極限，并且具有良好的穩(wěn)定性、較高的比強(qiáng)度、較強(qiáng)的耐腐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于彈簧、齒輪、隔膜、閥門，以及制作各種高級(jí)彈性元件和電子元件，已經(jīng)逐步發(fā)展為一種不可或缺的工業(yè)材料[1-3]。但由于材料硬度高、耐磨性好、粘附性強(qiáng)，導(dǎo)致其加工性能差，屬于典型的難加工材料[4-6]。近年來，對鈹銅合金的加工特性，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[7-9]。

銑削加工屬于典型的斷續(xù)切削方式，在銑削過程中，隨著刀具的旋轉(zhuǎn)，熱源強(qiáng)度和熱源面積發(fā)生復(fù)雜演變，增加了瞬態(tài)切削溫度理論和實(shí)驗(yàn)分析的難度，但斷續(xù)加工由于其加工效率高，適合復(fù)雜零件的加工成形，已廣泛應(yīng)用于難加工材料的高精度加工[10]。不同于連續(xù)切削方式，在斷續(xù)切削過程中，切削刃循環(huán)性切入和切出工件，在較短時(shí)間內(nèi)，刀具會(huì)受到周期性的升溫-降溫、負(fù)載-卸載，從而受到熱沖擊影響，刀具所經(jīng)受的切削力和切削溫度不斷變化引起加工環(huán)境的不穩(wěn)定，導(dǎo)致銑刀發(fā)生磨損和破損失效，影響切削加工的效率和成本[11]。

斷續(xù)切削時(shí)，在摩擦副接觸峰點(diǎn)產(chǎn)生瞬現(xiàn)的高溫，容易引發(fā)粘結(jié)現(xiàn)象[12]，主要是由于切削刃在切入工件的過程中，在高溫、沖擊的情況下，刀具表面容易與已加工表面的工件材料和部分切屑產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象而生成粘結(jié)物。鈹銅合金材料由于其較強(qiáng)的熱軟化性和粘附性，更易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，粘結(jié)物的產(chǎn)生影響切削過程中刀具的散熱和加工，縮短刀具的使用壽命，因此研究鈹銅合金斷續(xù)加工過程切削溫度的變化對降低刀具磨損、優(yōu)化加工質(zhì)量有著十分重要的意義。針對刀具的磨損機(jī)制，Liu[13]發(fā)現(xiàn)刀具的粘結(jié)磨損是由于涂層磨損、刀具和工件材料的元素親和力作用等引起的，刀具在高應(yīng)力和高溫梯度下更容易發(fā)生粘結(jié)磨損。然而Liu主要從元素之間的作用入手，并沒有從溫度變化的角度對粘結(jié)磨損的影響進(jìn)行深入分析。Li A[14]發(fā)現(xiàn)涂層刀具的失效形式與切削速度有關(guān)，隨著切削速度的增加，會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)或碎塊的切屑，甚至是熔融的切屑，所以在高速下可以收集的切屑很少，刀具磨損過程以大面積涂層剝落、劇烈磨損和嚴(yán)重的粘著為主。同樣地，Hou[15]等人發(fā)現(xiàn)，在切削速度較高時(shí)，刀具前刀面和切削刃不僅存在粘附的切屑，還會(huì)發(fā)生涂層剝落、熱裂紋等缺陷。他們從切削速度對刀具磨損的影響做了詳盡的分析，得出切削速度是切削用量中影響刀具磨損的主要因素的結(jié)論，但他們并沒有具體從切削溫度的角度入手，對刀具磨損進(jìn)行研究，對于粘結(jié)現(xiàn)象和粘著磨損的分析就更為稀少，且他們主要從前刀面入手進(jìn)行考慮，并沒有具體分析切削熱對后刀面磨損的影響，而后刀面磨損會(huì)對工件的加工質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。

銑削加工時(shí)，由于刀具處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，刀具溫度難以采集，使切削溫度對刀具磨損影響的理論分析存在困難[16]。為了解決銑削過程旋轉(zhuǎn)刀具溫度不易檢測的問題，又保證銑削加工斷續(xù)切削的特性，本研究采用仿銑削加工的斷續(xù)車削方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然而由于銑削過程中單個(gè)切削刃切除材料的厚度是隨時(shí)間變化的，而車削過程的切削厚度是固定不變的，故斷續(xù)切削深度參考Wang C[17]提出的切削轉(zhuǎn)換模型，將三維銑刀模型等效計(jì)算銑削深度轉(zhuǎn)換為直角正交切削模型。搭建了TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具斷續(xù)車削鈹銅合金C17200的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用單一因素法分析切削速度對刀具溫度的影響，選擇熱電偶法對后刀面溫度進(jìn)行采集，從溫度變化的角度對刀具表面存在的粘結(jié)現(xiàn)象和刀具磨損形態(tài)進(jìn)行剖析，通過對磨損現(xiàn)象的觀察和討論，揭示了刀具的磨損機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

傳統(tǒng)銑削方式存在加工過程中旋轉(zhuǎn)刀具溫度難以測量的問題，因而本研究采用仿銑削加工的斷續(xù)車削方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將刀具旋轉(zhuǎn)、工件固定的情況轉(zhuǎn)化為刀具固定、工件旋轉(zhuǎn)，以此達(dá)到采集刀具溫度的目的。實(shí)驗(yàn)時(shí)將工件均勻分布在預(yù)先設(shè)計(jì)的圓盤狀?yuàn)A具周圍，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的圓盤狀?yuàn)A具直徑為230 mm，工件突出圓盤狀?yuàn)A具10 mm的長度，工件寬度20 mm，如圖1a所示。圓盤夾具與機(jī)床的主軸相連接，在刀具固定不動(dòng)的條件下，通過圓盤夾具的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀具對工件的斷續(xù)切削加工。

實(shí)驗(yàn)采用熱電偶法對刀具溫度進(jìn)行采集。采用電火花線切割的方法，在車刀片后刀面上距切削刃0.8 mm處預(yù)先加工一個(gè)直徑0.5 mm的線槽，選用K型熱電偶GG-K-30，將熱電偶埋在后刀面槽上，如圖1b所示，熱電偶焊點(diǎn)頂端位于切削刃上。編寫labview測溫程序，選用數(shù)字信號(hào)采集與分析儀器對刀具溫度信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置如圖1c所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

切削加工實(shí)驗(yàn)在數(shù)控車床（CAK3665）上進(jìn)行，通過調(diào)整主軸的轉(zhuǎn)速來改變切削速度。鈹銅合金選用鈹青銅C17200，其物理特性和化學(xué)成分如表1和表2所示，可見鈹青銅是一種高強(qiáng)度、高硬度的難加工材料，實(shí)驗(yàn)所用鈹青銅工件尺寸為78 mm×20 mm×3 mm矩形板。刀具采用TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具，選用廈門金鷺特種合金有限公司生產(chǎn)的菱形 80°有孔的CCMT09T304-GP刀片搭配 SCLCR1616H09的螺釘夾緊型外圓車刀桿，刀具主偏角為95°，前角為8°，后角為7°，涂層厚度4 μm。實(shí)驗(yàn)過程中，分別在刀具切削長度達(dá)到5、10、15、20 m時(shí)取下刀片，在體式顯微鏡下觀察刀具的磨損形貌及后刀面的磨損量、磨損面積。磨損面積的計(jì)算是將刀具的磨損區(qū)域劃分為一系列規(guī)則形狀，如三角形、梯形、四邊形等，分別計(jì)算后再進(jìn)行求和。在場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）下進(jìn)一步觀察刀具磨損的微觀形貌，對磨損刀具進(jìn)行材料微區(qū)域 EDS元素分析。溫度信號(hào)采集系統(tǒng)由美國NI公司提供的PXIe-4353熱電偶輸入模塊和TB-4353前置式接線盒組成。

采用單一因素法研究切削速度對刀具溫度和刀具磨損的影響。分別采用等間隔的5種切削速度進(jìn)行干切削實(shí)驗(yàn)。切削參數(shù)為：切削速度v=200、300、400、500、600 m/min，進(jìn)給量f=0.05 mm/r，切削深度參考切削轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行計(jì)算，取ap=0.5 mm。

表1 室溫下鈹青銅C17200的物理特性Tab.1 Physical properties of beryllium copper C17200 at room temperature

2 結(jié)果與分析

2.1 斷續(xù)切削過程速度對刀具溫度的影響

斷續(xù)切削周期可以分為切削時(shí)間與非切削時(shí)間兩個(gè)階段，在切削時(shí)間階段，刀具與工件處于熱量積聚狀態(tài)，而在非切削時(shí)間階段，刀具與工件處于熱量散失狀態(tài)[18]。圖2所示是切削速度為300 m/min時(shí)所得的一段切削刃切入切出工件周期的后刀面溫度變化波形圖，由于實(shí)驗(yàn)過程中工件所處的位置圓周直徑較大，工件寬度較小，故將工件加工段投影近似為直線。在A位置，切削刃剛切入工件，切削厚度最大，切削溫度開始升高。隨著切削刃的不斷運(yùn)動(dòng)，隨著切削的進(jìn)行，切削厚度不斷減小，切削溫度也不斷上升。切削到位置C處時(shí)，一次切削結(jié)束，切削刃即將離開工件，切削溫度最高，此時(shí)的刀具與工件的溫度相接近。隨后切削刃離開工件，處于非切削時(shí)間階段，刀具得到冷卻，切削溫度不斷降低。當(dāng)切削刃運(yùn)動(dòng)到D處時(shí)，切削厚度達(dá)到最大，切削溫度又開始上升，如此循環(huán)下去。因此在斷續(xù)切削的加工過程中，工件與刀具溫度始終處于升高、降低的循環(huán)交替變化過程。切削刃切入切出過程交替變化，刀具和工件經(jīng)受周期性熱載荷，熱載荷的面積和密度均隨時(shí)間變化。不同于連續(xù)切削的切削熱源在切削開始后就迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件，斷續(xù)切削的溫度變化更為復(fù)雜，切削過程中刀具持續(xù)性地經(jīng)受“升溫—降溫”，對刀具磨損的影響也更為嚴(yán)重。

關(guān)于切削溫度與切削速度的關(guān)系，Carl Salomon指出，金屬切削引起的溫升隨著切削速度的增大而增大，達(dá)到臨界值后，隨著切削速度的增大而減小。圖3是刀具斷續(xù)切削過程中后刀面平均溫度與切削速度的關(guān)系曲線，因矩形塊工件表面質(zhì)量不高，存在斑點(diǎn)、凹坑等缺陷，會(huì)對采集到的刀具溫度產(chǎn)生影響，故此處平均溫度取刀具斷續(xù)切削達(dá)到穩(wěn)定波動(dòng)階段后刀面的平均溫度，即刀具溫度波動(dòng)較為顯著階段的平均溫度。因平均溫度的計(jì)算會(huì)存在一定的誤差，故不同切削速度下的刀具平均溫度的變化曲線采用添加誤差棒的形式，誤差數(shù)據(jù)選擇刀具溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖3可以看出，切削速度對刀具溫度的影響較為顯著，刀具溫度隨著切削速度的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這與Salomon理論相符。

切削速度的提高會(huì)引起工件材料剪切變形程度的增加，刀具與切屑、工件之間的摩擦變得更為劇烈，導(dǎo)致三大熱源在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的熱量，引起刀具溫度的升高。而切削速度提高到一定程度時(shí)會(huì)使更多的切削熱被切屑帶走，進(jìn)入刀具的熱流密度降低，同時(shí)使得一個(gè)切削周期內(nèi)切削時(shí)間減少，切削熱傳遞到刀具的時(shí)間減少，引起刀具溫度下降。根據(jù)Liu和Chou[19]的研究觀點(diǎn)，較高的切削速度還會(huì)增強(qiáng)非切削時(shí)間內(nèi)刀具與空氣的熱對流作用，也會(huì)促使刀具溫度快速降低。然而，鈹銅合金高溫下較強(qiáng)的粘附性使得其在加工過程中容易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，產(chǎn)生粘結(jié)物，降低刀具與空氣的熱對流作用，影響刀具壽命。

綜上所述，鈹銅合金斷續(xù)切削刀具溫度的變化趨勢，取決于三大熱源的產(chǎn)生與空氣的對流二者作用的強(qiáng)弱。三大熱源的熱量生成占主導(dǎo)作用，則刀具溫度升高；若刀具與空氣的熱對流作用占主導(dǎo)，則刀具溫度降低。同時(shí)刀具溫度的變化趨勢也受切削時(shí)間與非切削時(shí)間之比的影響。

圖4是在每個(gè)切削速度下刀具溫度的變化曲線，可以看出每個(gè)速度下，后刀面溫度具體的變化趨勢。結(jié)合圖2可以知道，切削開始后，隨著切削過程的進(jìn)行，每一次切削開始前，由于切削產(chǎn)生的溫升，難以在短時(shí)間內(nèi)冷卻到室溫，使得刀具的熱量不斷累積，導(dǎo)致刀具溫度持續(xù)升高，只有在切削完全結(jié)束后，刀具才會(huì)得到冷卻，從而在整個(gè)切削過程中，刀具溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。切削結(jié)束后，由于工件加工時(shí)所積聚毛刺的影響，刀具溫度下降的過程中還伴隨著輕微上升下降的變化趨勢。同時(shí)，隨著切削速度的提高，刀具切入切出工件材料時(shí)刀具溫度的變化峰值區(qū)間逐漸減小，這是由于切削速度的提高使熱源變化頻率升高，熱源持續(xù)作用時(shí)間變短，切削熱傳導(dǎo)至刀具的時(shí)間變短，同時(shí)刀具面與鄰近空氣的熱對流系數(shù)增大，因此刀具升溫降溫的頻率增大，刀具溫度的變化峰值區(qū)間減小。切削速度的提高也使切削周期變短，刀具溫度的變化周期變短。熱源變化頻率升高和變化周期變短導(dǎo)致刀具升溫降溫頻率的提高，從而引起刀具表面出現(xiàn)不均勻的溫度場，使得刀具產(chǎn)生局部高溫。鈹青銅材料受高溫影響發(fā)生軟化，更易與刀具粘結(jié)，生成粘結(jié)物，降低了刀具的表面強(qiáng)度，影響刀具的使用性能，刀具也更容易受到破壞。

2.2 基于粘結(jié)效應(yīng)的涂層剝落機(jī)理分析

加工過程中，由于切削刃部位較為尖銳，導(dǎo)致切削刃處的應(yīng)力較大，溫度較高。在較大應(yīng)力和溫度的作用下，鈹青銅材料因較強(qiáng)的粘附性，容易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)，形成粘結(jié)物。鈹青銅材料所形成的粘結(jié)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度較低，導(dǎo)致切削刃部位的涂層強(qiáng)度降低。此外，由于切削刃在斷續(xù)切削鈹青銅時(shí)將持續(xù)性地經(jīng)歷“負(fù)載—卸載”、“受熱—冷卻”的過程，這將導(dǎo)致刀具在工作時(shí)承受周期性的熱應(yīng)力和熱流動(dòng)，在刀具表面產(chǎn)生高溫、沖擊。斷續(xù)切削過程中刀具所經(jīng)受的切削力和切削溫度不斷變化導(dǎo)致的加工環(huán)境不穩(wěn)定，使刀具的強(qiáng)度和硬度下降，刀具更容易發(fā)生磨損，而切削刃和刀尖部分的涂層較其他部位的涂層強(qiáng)度低，更容易受到破壞。同時(shí)，鈹青銅材料自身的強(qiáng)度、硬度較高，在材料成形過程中由于工藝缺陷所產(chǎn)生的鈹青銅材料顆粒和加工過程中產(chǎn)生的碎屑，在加工過程中與刀具表面間相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦，容易導(dǎo)致刀具表面產(chǎn)生劃痕和溝槽等缺陷。圖5所示分別是在200 m/min和400 m/min下，切削長度達(dá)到15 m時(shí)的刀具后刀面形貌圖。可以看到，刀具表面除了存在大量的涂層剝落現(xiàn)象，還存在一定的溝槽以及沿切屑流出方向的劃痕，刀具表面的這些溝槽和劃痕使刀具容易產(chǎn)生局部高溫和不均勻的溫度場，降低了刀具強(qiáng)度，在加工過程中，刀具更容易受到破壞。

切削刃在切入工件的過程中，在高溫、沖擊的情況下，鈹青銅材料受溫度影響，容易發(fā)生軟化，較強(qiáng)的粘附性使得工件材料與刀具表面產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，形成粘結(jié)節(jié)點(diǎn)，引起局部高溫。而在切削刃切出工件的過程中，摩擦副表面發(fā)生相對滑動(dòng)，產(chǎn)生剪切拉力，摩擦副形成的粘結(jié)節(jié)點(diǎn)在高溫作用下軟化，強(qiáng)度降低，在剪切力的作用下容易發(fā)生剪切斷裂。在粘結(jié)節(jié)點(diǎn)被去除的同時(shí)，刀具表面受到損壞的涂層容易被撕裂，造成涂層剝落。圖5b涂層區(qū)域B和剝落區(qū)域A的能譜分析結(jié)果如圖6所示，TiAlN涂層的Ti元素和Al元素是圖5b中涂層區(qū)域B的主要元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別24.97%和16.72%，大量存在的Al元素和Ti元素表明了該區(qū)域的涂層仍未受到破壞。在涂層剝落區(qū)域A檢測到硬質(zhì)合金刀具基體的主要元素C和W的歸一化質(zhì)量分別是16.24%和16.37%，刀具涂層的主要元素Al和Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為4%和3.2%。大量的W、C元素及少量的 Al、Ti元素，表明該區(qū)域的涂層已經(jīng)發(fā)生剝落，刀具涂層損壞較為嚴(yán)重。不過，在涂層剝落區(qū)域A也檢測到大量鈹青銅材料的Cu元素，這表明在涂層剝落后的基體上存在著明顯的粘結(jié)現(xiàn)象，鈹青銅受到切削熱的影響，容易粘附在切削刃上，形成粘結(jié)物。

圖7是不同速度下切削長度達(dá)到20 m的磨損量和磨損面積，磨損量和磨損面積隨著速度的增大而增大，速度500 m/min時(shí)的磨損量和磨損面積達(dá)到峰值，200 m/min時(shí)磨損量和磨損面積最小，這與后刀面溫度存在關(guān)聯(lián)。隨著溫度的升高，鈹青銅材料熱軟化程度加強(qiáng)，導(dǎo)致其粘附性增強(qiáng)，更多的材料與后刀面發(fā)生粘結(jié)，粘結(jié)現(xiàn)象越嚴(yán)重，對磨損程度的影響越大。600 m/min時(shí)磨損量和磨損面積減緩，這是由于隨著速度的增大，后刀面溫度下降，導(dǎo)致粘結(jié)現(xiàn)象減輕。

圖8是峰值處三個(gè)速度、切削長度20 m時(shí)的涂層剝落情況形貌圖，刀具涂層剝落面積參考磨損面積進(jìn)行估算?？梢娫?00 m/min和500 m/min時(shí)，涂層的剝落現(xiàn)象相差較小，磨損程度的大小影響著剝落情況。參考圖7可知，500 m/min的速度下，涂層剝落的現(xiàn)象最嚴(yán)重，結(jié)合上述分析可知，這是由后刀面溫度不同所導(dǎo)致。聯(lián)系圖3以及上述分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度的提高，溫度升高，在高溫、沖擊的作用下，鈹青銅材料受熱軟化后粘附性提高，容易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)，生成粘結(jié)物，涂層受粘結(jié)現(xiàn)象的影響，更容易在刀具切出時(shí)被撕裂，因而涂層剝落的情況更加嚴(yán)重。然而當(dāng)速度提高到一定程度后，溫度呈下降趨勢，工件材料的粘附性不如高溫時(shí)嚴(yán)重，因而磨損程度和涂層剝落較高溫時(shí)減輕，如圖8切削速度達(dá)到600 m/min時(shí)，刀具涂層剝落情況相比500 m/min時(shí)有所改善。

2.3 粘結(jié)磨損機(jī)理分析

鈹青銅材料的綜合力學(xué)性能較好，熱軟化溫度較低，加工時(shí)塑性變形大，引發(fā)的切削溫度高，切削力大[20]。在斷續(xù)切削過程中，涂層剝落會(huì)進(jìn)一步引發(fā)刀具基體的粘結(jié)磨損，刀具在涂層剝落后強(qiáng)度下降，在高溫、沖擊和刀具所經(jīng)受的切削力和切削溫度不斷變化導(dǎo)致的加工環(huán)境不穩(wěn)定的影響下，切削刃在切入工件的過程中，鈹青銅材料受熱軟化，更易與基體表面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，形成粘結(jié)物。圖9是不同速度下，切削長度達(dá)到20 m時(shí)，刀具基體表面EDS元素分析所得的鈹青銅材料粘結(jié)物Cu元素含量對比圖?？梢钥闯?，在200 m/min時(shí)，刀具上的Cu元素的歸一化質(zhì)量為33.88%，Cu元素粘結(jié)現(xiàn)象最輕。而后隨著速度的增加，粘結(jié)的Cu元素含量增多。在500 m/min時(shí)，刀具上的Cu元素的歸一化質(zhì)量為59.51%，鈹青銅材料的粘結(jié)現(xiàn)象最嚴(yán)重；在 600 m/min時(shí)，刀具上的Cu元素的歸一化質(zhì)量為40.58%，相比較500 m/min時(shí)的粘結(jié)程度有所減輕。

圖10a、11a、12a分別是切削長度達(dá)到20 m時(shí)，三個(gè)切削速度400、500、600 m/min下粘結(jié)物的Cu元素含量出現(xiàn)峰值處的，刀具基體的磨損形貌。觀察圖10b、11b和12b所示A區(qū)域放大圖，可以看到涂層剝落后的基體上都形成了一定的粘結(jié)物，綜合圖3以及上述分析可以發(fā)現(xiàn)，刀具溫度隨著速度的升高而升高，到達(dá)臨界值后逐漸降低，刀具的粘結(jié)現(xiàn)象隨著溫度的升高而越來越嚴(yán)重，之后隨著溫度的降低而減輕。這是由于切削溫度較高時(shí)，鈹青銅材料受高溫影響，更容易發(fā)生熱軟化，更易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)，而刀具由于涂層剝落后強(qiáng)度降低，更容易產(chǎn)生不均勻的溫度場和局部高溫，鈹青銅材料粘附在刀具表面形成粘結(jié)物，因此500 m/min時(shí)刀具溫度最高，粘結(jié)現(xiàn)象最嚴(yán)重。然而當(dāng)切削速度達(dá)到一定程度后，熱源變化頻率升高，刀具升溫降溫的頻率增大，熱源持續(xù)作用時(shí)間變短，切削熱傳導(dǎo)至刀具的時(shí)間變短，熱源在刀具和工件的熱分配比變小，溫度不再提高，因此刀具的粘結(jié)現(xiàn)象顯得更輕微，所以到速度600 m/min時(shí)，粘結(jié)現(xiàn)象有所減輕。

工件材料受溫度變化的影響在刀具上形成的粘結(jié)物容易被帶入切削區(qū)域，加工時(shí)與工件表面發(fā)生摩擦和擠壓，對刀具性能和工件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。而鈹青銅材料較強(qiáng)的粘附性使其與刀具發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，產(chǎn)生一定的粘結(jié)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致切削過程中產(chǎn)生的熱不易被切屑帶走，大部分積聚在刀具的刀尖、刀刃附近，加劇了刀具磨損。斷續(xù)切削過程中，隨著加工的進(jìn)行，粘結(jié)節(jié)點(diǎn)的表面壓力和溫度持續(xù)提高，強(qiáng)度降低，在切削刃切出過程中剪切力的作用下容易發(fā)生斷裂。而在粘結(jié)物被去除的過程中，刀具基體表面由于強(qiáng)度降低，容易被撕裂，形成凹坑和撕裂帶，如圖10a、11a、12a中的 B1、B2區(qū)域所示。圖10c、11c、12c是其B1區(qū)域放大圖，可以清晰地看出，刀具基體表面形成凹坑現(xiàn)象，三個(gè)速度下形成的凹坑都較為明顯。凹坑、撕裂帶的形成與粘結(jié)物的形成有關(guān)，溫度越高，粘結(jié)現(xiàn)象越嚴(yán)重，后期在粘結(jié)物被去除的過程中形成的凹坑和撕裂帶就相對較多，如圖11a所示500 m/min下刀具基體形貌的B2區(qū)域就是一塊較大的撕裂帶，500 m/min下刀具磨損最為嚴(yán)重，由于其溫度最高，粘結(jié)最嚴(yán)重，而600 m/min磨損相比500 m/min有所減輕。

斷續(xù)切削過程中切削刃周期性地切入切出工件材料，導(dǎo)致加工時(shí)基體表面粘結(jié)物形成、破壞、再形成的交替變化，切削過程這種粘結(jié)、破壞、再粘結(jié)的交替過程就形成了刀具的粘結(jié)磨損。刀具基體的粘結(jié)磨損是由應(yīng)力場、溫度場和刀具涂層磨損共同決定的。溫度越高，在高溫、沖擊的作用下，刀具基體的強(qiáng)度進(jìn)一步下降，更容易在刀具切出時(shí)被破壞，同時(shí)鈹青銅材料受溫度影響的熱軟化程度越高，更容易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，形成粘結(jié)物，粘結(jié)現(xiàn)象越嚴(yán)重，引發(fā)的粘結(jié)磨損越嚴(yán)重。

3 結(jié)論

1）切削速度對刀具溫度的影響較為明顯，刀具溫度隨著切削速度的增加，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。切削速度的提高使切削周期變短，刀具溫度的變化頻率升高、變化峰值區(qū)間減小。刀具溫度變化頻率升高導(dǎo)致刀具表面產(chǎn)生局部高溫和熱沖擊，影響刀具磨損。

2）在斷續(xù)切削過程高溫、沖擊以及刀具所經(jīng)受的切削力和切削溫度不斷變化導(dǎo)致的加工環(huán)境不穩(wěn)定的作用下，鈹青銅材料受熱軟化程度變大，更容易與刀具表面發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，生成粘結(jié)物。溫度越高時(shí)，鈹青銅材料和刀具表面受溫度的影響程度越高，后刀面粘結(jié)現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3）斷續(xù)切削時(shí)“負(fù)載—卸載”、“升溫—降溫”產(chǎn)生的高溫、沖擊以及刀具所經(jīng)受的切削力和切削溫度不斷變化導(dǎo)致的加工環(huán)境不穩(wěn)定的作用下，刀具涂層的強(qiáng)度和硬度下降，涂層表面受到一定的破壞，產(chǎn)生溝槽和劃痕，在粘結(jié)物被去除的過程中，刀具表面被破壞的涂層在剪切力的作用下容易被撕裂，造成涂層剝落，溫度越高，涂層剝落現(xiàn)象越嚴(yán)重。

4）斷續(xù)切削過程中，鈹銅合金材料和刀具基體在高溫、沖擊的作用下，涂層剝落區(qū)域更容易形成粘結(jié)物，刀具基體上發(fā)生粘結(jié)、破壞、再粘結(jié)的交替過程，就形成了刀具的粘結(jié)磨損。刀具基體的粘結(jié)磨損是由應(yīng)力場、溫度場和刀具涂層磨損共同決定的。溫度越高，粘結(jié)現(xiàn)象越嚴(yán)重，后刀面的粘結(jié)磨損越嚴(yán)重。