刀具磨损与切削用量关联度试验研究

潘建新1，潘祎2

（1.湖南科技职业学院实习实训指导中心，湖南长沙，410004）

（2.徐州医学院医学影像学院，江苏徐州，221004）

摘要：文章通过对POLMAX材质试件在不同切削条件下的加工试验，重点分析了涂层刀具的磨损形式，总结出了切削用量影响刀具磨损的规律。研究结果表明：YG类涂层硬质合金刀具加工淬硬POLMAX不锈钢时，低速阶段主要表现为粘结磨损，高速阶段主要表现为氧化磨损与扩散磨损；切削用量中切削速度对刀具磨损影响最大，当切削速度较低时（小于50m/min）刀具磨损量几乎保持在同样的水平，而当切削速度达到120m/min以上时，刀具磨损量急剧上升。

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关键词：刀具磨损；切削用量；关联度

中图分类号: TG506.1

1 前言

随着人们对塑料产品外观质量要求的不断提高，高光洁度模具材料应用越来越普遍。POLMAX是瑞典ASSAB的光学级（表明粗糙度值在0.3-0.7μm之间）镜面塑胶模具钢，具有优良的抛光性、耐腐蚀性、耐磨性和可加工性，广泛应用于对产品表面质量有严格要求的光学、医疗和CD/DVD等领域，是制造高光洁度模具的必备材料。然而，对该材料切削工艺知识的缺乏，又往往造成切削效率降低、刀具寿命缩短、加工质量变差等问题，特别是刀具磨损问题，成为影响POLMAX切削效率的主要原因之一。本文通过对POLMAX材质试件在不同切削条件下的加工试验，重点分析了涂层刀具的磨损形式，总结出了切削用量影响刀具磨损的规律，研究结论对生产实际有一定的指导作用。

2 刀具磨损形式及过程

刀具磨损形式一般为前刀面月牙洼磨损、后刀面均匀磨损以及副后刀面由摩擦引起的沟槽磨损[1]。随着切削时间的增加，切削温度升高，刀具材料和工件材料还会发生粘结，两者产生相对运动粘结点产生剪切破坏，将刀具材料粘结颗粒带走造成刀具的粘结磨损。无论何种磨损形式，刀具的磨损过程和一般机械零件的磨损规律相同，如图1所示，分为三个阶段：初期磨损阶段（AB段）、正常磨损阶段（BC段）和急剧磨损阶段（CD段）[2]。

3 切削用量对刀具磨损的影响试验

3.1 试验方案

本试验主要研究切削速度对刀具磨损的影响规律，试验用刀具采用涂层刀片，油雾冷却方式，切削速度的水平设定为：35、50、80、120、160m/min。测量内容主要是观察刀具磨损形貌并测量后刀面磨损量。后刀面磨损量的测量方案是：试件加工一定长度后观察刀片磨损情况，当后刀面为均匀磨损时，取磨钝标准为平均磨损量达到0.3mm；当后刀面为剧烈磨损时，取磨钝标准为最大磨损量达到0.6mm。具体取点测量方案如表1所示。

试件所用材料为POLMAX不锈钢，淬火后硬度达到HRC52，属典型的难加工材料。选择进给量时主要考虑机床进给机构的强度、车刀刀杆的强度和刚度、硬质合金刀片的强度和工件的装夹刚度等因素。因是半精加工，切削深度不会很大，而且，较大的切削深度也会加快刀具的磨损。本试验中主要研究切削速度对刀具磨损的影响，根据《金属切削手册》及《株洲钻石切削刀具股份有限公司刀具样本》中的推荐值，选取切削深度和进给量分别为ap=0.3mm、f=0.2mm/r。切削速度是影响刀具磨损和刀具寿命的主要因素，因此，在选择切削速度时要充分考虑工件材料、刀具强度、机床刚性等各种因素。在目前国内的研究中，切削淬硬POLMAX不锈钢时的切削速度都比较低，普通切削时，速度一般设定为40-60m/min，高速切削时，速度可以达到200m/min左右[3]。根据前面确定的切削深度和进给量，通过查表或计算的方法

选用35m/min、50m/min作为普通切削速度，高速切削阶段选用三组较高的速度，分别为：80m/min、120m/min、160m/min。

3.2 试验条件

3.2.1试件材料

本次试验采用棒料POLMAX不锈钢，直径为150mm，长度为800mm。该材料的化学成分如表2所示[4]。

3.2.2加工设备

(1)机床的选择

本试验选用沈阳机床股份有限公司生产的CAK6150数控车床（机床外观如图2所示）。该机床适合于铝合金、石墨、淬硬钢及超硬合金等材料的高速高精加工。其主要性能指标为：最大工件回转直径500mm，最大车削直径300mm，最大车削长度850mm，刀架工位数4工位，刀架最大X向行程250mm，最大Y向行程600mm，主轴电动机功率7.5kw，主轴转速可在40-1800r/min范围内无极调节，最大移动速度X/Z向均为20m/min，配置FANUC 0i Mate-TC数控系统。

(2)刀具的选择

刀具选用株洲钻石切削刀具股份有限公司生产的涂层硬质合金刀片，刀片型号为CNMGl20408-EM，刀片材料为K类（YG类）硬质合金材料，刀杆型号为MCLNR2525M12。刀具的主要几何参数：前角γ0 =6°，后角α0 =7°，主偏角κr =95°，副偏角κr’=4°，刃倾角λS=-5.5°，副后角α0’=7°，刀

尖圆弧半径r=0.8mm。刀杆及刀片外观如图3所示。

3.2.3检测设备

为保证试验结果的准确性，每组试验都选用新的刀片。试验过程中采用日本VHX-1000C型超景深三维显微系统(图4-a)观察刀具磨损形貌的变化情况，并测量刀具后刀面的磨损带宽度。每组试验结束后，采用日本JSM-6360LA扫描电子显微镜及能谱仪(图4-b)对刀具表面进行能谱分析。每次停刀时，再用粗糙度测量仪(图4-c)测量已加工表面的粗糙度，记录不同条件下已加工表面粗糙度值。

4 试验结果分析

在切削加工POLMAX不锈钢时，选用的切削用量尤其是切削速度对刀具磨损影响很大。不同的切削速度对刀具的磨损量有着不同的变化。一般而言，切削速度越大，刀具磨损越严重。图6表示出了切削速度分别为50、80和120m/min(ap=0.3mm f=0.2mm/r)时，刀具副后刀面磨损量随切削速度变化的规律（图6中未表示出切削速度为35m/min及160m/min时的变化曲线）。

图5表明：当切削速度达到120m/min以上时，刀具后刀面磨损量急剧上升，而且高速阶段磨损量远远大于低速阶段磨损量。这主要是因为涂层在切削过程中因摩擦脱落，刀具基体直接参与切削，导致刀具磨损加剧，最终失效；另外，在采用35m/min及50m/min切削速度时，刀具磨损量几乎在同样的水平上。这是因为试验用刀具属于超细晶粒硬质合金，晶粒细化后，硬质相尺寸变小，粘结相均匀地分布在硬质相周围，大大提高了刀具的硬度和耐磨性[5]。

随着切削速度的增加，刀-屑接触面温度与压力越来越大，刀-屑之间的接触由滑动接触变为粘结接触，所以，低速切削时刀具磨损形式主要为粘结磨损。而随着刀具与工件接触表面摩擦过程中产生的粘附力越来越强，刀具材料细微质点发生剥落或剪切。当温度达到800-900℃时，工件元素与刀具元素之间发生相互扩散[6]，所以，高速切削时刀具磨损形式主要转化为氧化磨损与扩散磨损。通过实际观察刀具后刀面磨损形貌也可证实结论的正确性。

5 结论

本试验研究得到以下主要结论：

（1）刀具的磨损形式一般表现为前刀面月牙洼磨损、后刀面均匀磨损以及副后刀面由摩擦引起的沟槽磨损。

（2）YG类涂层硬质合金刀具加工淬硬POLMAX不锈钢时，低速阶段主要表现为粘结磨损，高速阶段主要表现为氧化磨损与扩散磨损。

（3）切削用量中切削速度对刀具磨损影响最大，当切削速度较低时（如35m/min，50m/min）刀具磨损量几乎保持在同样的水平，而当切削速度达到120m/min以上时，刀具磨损量急剧上升。

（4）油雾冷却切削能明显改善刀具磨损情况，大大提高刀具使用寿命。

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参考文献：

[1]赵长明,刘万菊.数控加工工艺及设备[M].第一版.清华大学出版社,2011:85-98

[2]武友德,张跃平.金属切削加工与刀具[M].第一版.北京理工大学出版社,2011:47-49

[3]常艳丽.镍基高温合金GH4169的切削力与刀具磨损试验研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文,2011年6月:52-58

[4]盛精,黄丛林,刘超等.基于刀具磨损的车削参数优化实验[J].机械设计与研究,2013年8月:76-80

[5]韩荣第,王辉,刘俊岩等.难加工材料绿色切削刀具磨损试验研究[J].制造技术与机床,2008年4月:78-81