周 波，盧 威，邵偉芹

(張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 張家界 427000)

隨著現(xiàn)代技術的不斷進步和發(fā)展，耐磨、耐高溫涂層材料被廣泛用于可轉位數(shù)控車刀片表面，進而改善刀片的使用壽命。但在實際加工過程中，過高的切削速度會引起刀片涂層發(fā)生氧化磨損和粘著磨損，導致精車刀片過早失效。因此，為了改善數(shù)控精車刀片的使用壽命，對刀片的失效原因進行了研究和分析[1]，但對機械加工企業(yè)一刀多用的實際失效分析的報道較少[2-3]。因此，本文將針對某航空企業(yè)實際失效的數(shù)控精車刀片進行失效機理研究。

1 失效分析

1.1 失效刀片的宏觀結構特征

涂層硬質合金刀具的理論壽命由刀側磨損和凹口磨損決定[4]。但是在實際使用過程中，數(shù)控車床操作人員往往會根據(jù)零件的表面光潔度和切屑狀態(tài)來判定刀片是否失效。為了研究35°精車刀片的實際失效狀態(tài)的特征，本論文選用了5塊來自某航空企業(yè)生產(chǎn)一線的同型號失效刀片作為研究對象。

圖1為失效35°精車刀片的宏觀照片。由圖1可知，35°精車刀片的前刀面在宏觀上未見明顯的切屑粘附物、表面未見大面積磨損或者崩刃現(xiàn)象；刀片的后刀表面，也未見明顯的宏觀缺陷，但其表面顏色發(fā)白，這可能是刀具表面涂層的脫落或者被加工材料的元素發(fā)生了化學擴散所致。但在實際加工過程中，由于被加工工件的表面粗糙度無法達到零件的技術要求(Ra<0.8 μm)，導致這批刀片被數(shù)控車床操作人員判定為報廢。

圖1 失效35°精車刀片的宏觀圖

1.2 失效刀片的微觀特征

圖2為失效35°精車刀片的顯微組織。35°精車刀片的前刀面靠近刀尖的區(qū)域存在有明顯金屬光澤的粘著物質，見圖2(a)；刀尖部位存在明顯的月牙洼磨損失效特征(微崩刃)，見圖2(b)和圖2(c)；切削刃區(qū)域存在明顯的切屑粘著物質，并且切削刃后端有明顯的表面涂層脫落等失效特征，見圖2(d)和圖2(e)。

(a,d,e)粘著物質；(b,f)涂層脫落；(c)凹坑缺陷

1.3 刀刃部位的斷口形貌

采用掃描電鏡對失效的35°精車刀片進行組織觀察，如圖3所示。刀尖和切削刃部位存在涂層脫落和微崩刃，見圖3(a)。對圖3(a)中得1#、2#和3#位置進行能譜分析，結果見表1。1#區(qū)域未發(fā)現(xiàn)Al、Ti、N等表面涂層元素殘留，并且W、C元素含量較大，存在大量的Fe、Cr元素，說明此區(qū)域表面涂層基本脫落，并被切屑粘附物覆蓋。2#區(qū)域存在刀片基體元素W、C和切削元素Fe、Cr，未發(fā)現(xiàn)涂層元素Al、Ti、N，說明此區(qū)域的涂層也基本脫落；此外，粘附物表面存在明顯的沿切削方向發(fā)展的硬質顆粒擦痕。3#區(qū)域不僅存在基體元素W、C和切屑元素Fe、Cr，還存在涂層元素Al、Ti、N；同時，還發(fā)現(xiàn)O元素，說明此區(qū)域在高速切削過程中發(fā)生了氧化反應。

(a)涂層脫落和微崩刃；(b)粘著物質；(c)凹坑缺陷

表1 圖3(a)中不同位置的能譜分析結果

2 切削過程有限元仿真

為了更深入的了解35°精車刀片的失效原因，使用DEFORM3D有限元仿真軟件對35°精車刀片在切削鈦合金Ti6Al4V 過程中的熱力學特性進行分析。設置參數(shù)為：切削線速度分別為 40、60、80和100 m/min，進給速度為 0.3 mm/s，切削深度為 0.15 mm，摩擦系數(shù)為 0.4，檢驗切削速度對35°精車刀片的刀-屑接觸區(qū)溫度和前刀面磨損深度的影響。

2.1 刀-屑接觸區(qū)溫度

對35°精車刀片切削鈦合金Ti6Al4V 進行仿真研究，仿真切削時間步為1000 步，切削時間為0.00196 s。圖4為在不同切削速度下35°精車刀片刀-屑接觸區(qū)溫度變化曲線。由圖4可知，隨著切削速度的增加，刀片與切屑的的接觸溫度也明顯升高。

圖4 35°精車刀片的刀-屑接觸區(qū)溫度

2.2 前刀面磨損深度

圖5為35°精車刀片的前刀面磨損深度。由圖5可知，隨著切削速度的增大，35°精車刀片的前刀面磨損深度呈顯著增加。

圖5 35°精車刀片的前刀面磨損深度

3 分析與討論

由圖2和圖3可知，35°精車刀片主要失效形態(tài)為涂層剝落、微崩刃等，并且刀具失效表面切屑粘結現(xiàn)象嚴重。由有限元仿真模擬結果可知，隨著切削速度的不斷增加，35°精車刀片與被加工工件的接觸溫度不斷增加。在高切削溫度的影響下，切屑與刀片表面涂層發(fā)生氧化反應和化學擴散，從而降低刀尖部位的整體強度[5]。并在高溫、高壓的條件下，刀片涂層和基體很容易產(chǎn)生大量的熱-機械疲勞裂紋，在切削沖擊力的作用下引發(fā)刀片微崩刃現(xiàn)象[6]。

由圖2(d)和圖3(a)可知，失效精車刀片表面存在著明顯的硬質顆粒相和硬質顆粒引起切削溝槽。這可能是由于刀片和被加工工件材料之間不斷摩擦導致刀片硬質顆粒脫落，硬質顆粒與切屑等硬度較低的材料復合粘著在刀具表面，并引起被加工工件表面質量顯著降低。

綜上所述，某航空企業(yè)35°精車刀片的失效原因可能為切削速度過高導致刀片表面涂層脫落，進而導致刀片失效。

4 建議

1)由于切削速度設置不合理，導致35°精車刀片存在明顯涂層脫落、微崩刃現(xiàn)象，建議在數(shù)控精車切削過程中，采用相對合理的切削速度來改善35°精車刀片的使用壽命。

2)由于35°精車刀片表面存在著明顯的氧化物，并且涂層存在大塊體脫落等現(xiàn)象，建議在設計精車刀片涂層時，考慮涂層的化學穩(wěn)定性以及涂層和基體材料的結合強度的問題。