车铣切削用量对刀具磨损的影响分析

摘要：在经过改造的正交车铣机床上，采用高强度钢工件材料，进行了车铣刀具磨损强度实验，分析了车铣切削用量对刀具磨损强度的影响。研究表明，在影响车铣刀具磨损的切削用量中，切削速度对车铣刀具的磨损强度影响最大；以车铣刀具的磨损实验为基础，以切削速度为变量，建立了车铣高强度钢的刀具磨损强度模型。

0、前言

车铣技术[1]是为满足高生产率和高质量这两大目标而发展起来的一种先进制造技术。因此，车铣工艺技术成为当今世界，特别是工业发达国家的研究热点。采用车铣代替车削、铣削，可以更有效地采用现有刀具材料或单纯车削不能采用的刀具材料来加工各种工件材料，以及实现对各类回转体及薄壁类零件的加工。它具有加工效率高、加工精度高、刀具寿命长、切削平稳、不存在断屑问题等优点，可以完成通常单独用车或铣难以实现的加工。金属切削刀具的磨损，直接影响刀具寿命的长短、生产成本、生产效率的高低和加工质量的好坏等；切削过程中的各种物理现象，如切削力、切削热、系统振动等，也大多与之有密切关系[2]，因此，研究车铣的刀具磨损对于丰富车铣理论与实践应用，均具有十分重要的意义。

1、 车铣技术及特点

国外车铣技术研究主要集中在德国、美国和日本等工业发达国家，研究领域涉及车铣原理、车铣运动学及动力学、车铣表面质量和刀具磨损等。车铣不是单纯的将车和铣两种加工手段合并到一台机床上，而是利用车铣合成运动完成各类表面的加工[3]。车铣按铣刀与工件的相对位置可分为轴向车铣、正交车铣和一般位置车铣。

正交车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互垂直，在加工外圆表面时由于铣刀的纵向行程不受限制，且可以采用较大的纵向进给，因此它是加工大型回转体和长轴类零件的一种高效方法。如图1所示[3]，正交车铣的切削用量包括切削速度、铣刀沿着轴向的进给速度、轴向进给量、切向进给量（铣刀每齿进给量）和切削深度等[3]。

图1正交车铣的主要运动

2、 车铣刀具磨损实验

2.1实验目的和方法

车铣刀具磨损实验的目的是采用单因素实验方法[4]，来研究车铣切削用量的变化对刀具的磨损机理以及磨损强度的影响规律，并对实验结果加以理论分析。车铣刀具磨损表面形貌和磨损量由日本SSX-550扫描电子显微镜和IM小型工具显微镜观察分析和测量。

切削用量：切削深度为1mm；轴向进给速度为4.8mm/r；

2.2实验设备

车铣刀具磨损的实验是在经过改造的正交车铣机床上进行的，如图2所示。

图2 改造后的正交车铣机床

2.3实验条件

工件材料 高强度钢
实验刀具 TiN涂层SC30硬质合金 (相当于国际标准P20~P40)端铣刀
铣削方式 正交车铣，逆铣
冷却方式 乳化液

3、实验结果分析

实验研究结果表明，车铣刀具磨损过程是很复杂的。不同的切削条件下，车铣刀具主要磨损形态也不同，各种磨损形态的磨损量在不同切削条件下所占的比例也不同；各种磨损形态既单独作用，又相互影响。在影响车铣刀具磨损的切削用量中，切削速度对车铣刀具的磨损过程、磨损形态及磨损强度等的影响最大。

切削用量：切削深度为1mm；轴向进给速度为4.8mm/r；

当切削速度较低时，当连续不断的切屑流经刀具前刀面时，在刀具与切屑摩擦面的实际接触面积上，切削温度可以达到900°以上，刀具与工件材料接触到原子间距离时产生粘结，发生冷焊现象。当切屑沿刀具前刀面流出时，迫使较软的切屑底层内部发生很大的剪切变形。两摩擦表面的粘结点因刀具与工件的相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉而被对方带走造成粘结磨损，如图3所示。切削时，接触区的压力很高，使实际接触面积增加，切屑和工件材料沿着刀具前、后刀面不断移动，破坏了刀具表面的氧化层和其它吸附膜，特别是刚从工件材料内部切削出的新鲜表面间形成强烈粘结。

当车铣切削速度较高时，其磨损机理主要表现为疲劳－剥落磨损和扩散磨损。由于车铣是一种断续切削，铣刀承受切屑的周期性击打、切削加热和空切冷却，使刀具表面急剧变热和变冷，刀具表面受到反复的热应力、摩擦应力和接触应力作用，从而在距离刀具表层一定深度下的刀具材料的内部，产生了接触疲劳裂纹源。而后在继续经过多次反复的接触作用后，接触疲劳裂纹源向刀具表层方向迅速扩张，从而，在刀具表层上形成了网状的裂纹，刀具表层因裂纹的扩展而造成龟裂，在切屑不断地击打下导致刀具表层材料一层层地被剥落。此外，在刀具材料的原始晶粒内部，还是晶界处，都存在着不均匀的内应力，因此难于存在有显微裂纹。许多邻近的微裂纹，在切削力和摩擦力等外力的作用下不断延伸、合并，形成宏观裂纹，在外力的进一步作用下则产生剥落。采用扫描电子显微镜和电子探针显微分析仪检查刀具的前刀面、后刀面以及副后刀面微区的化学成分，说明随着切削速度的不断地提高，车铣过程中切屑、工件与刀具的接触，产生的切削温度足够高时，相互间有亲和作用的元素原子从浓度高处向浓度低处迁移，双方的化学元素在固态下相互扩散。如图4、5所示。

图5 切削速度为396m/min时的前刀面磨损形态(500×)

切削用量：切削深度为1mm；轴向进给速度为4.8mm/r；

在所研究的切削速度范围内，当切削速度较低时，以粘结磨损为主，在此基础上也伴随有疲劳-剥落磨损和磨料磨损等；而在较高的切削速度下以疲劳-剥落磨损和扩散磨损为主，并伴随有粘结磨损和磨料磨损等。以车铣刀具的磨损试验为基础，以切削速度为变量，建立了正交车铣高强度钢的车铣刀具的磨损强度模型，如图6所示。切削速度的增加，使切削温度升高，刀具与切屑、工件的接触区里的材料变软，微小的粘结区的数量增加，使粘结磨损和疲劳-剥落磨损强度增加。但是随着切削速度的进一步增加，被加工材料比刀具材料软化得更厉害，则粘结磨损和疲劳-剥落磨损的强度将会降低。这时切削温度继续增高，刀具与切屑、工件元素之间的相互扩散速度加大，因此，扩散磨损强度增大。在不同的切削速度下，各种磨损机理相互作用、相互影响，加剧了车铣刀具的磨损强度。

4、 结论

（1）在较低的切削速度下车铣高强度钢的刀具磨损机理主要以粘结磨损为主，在此基础上也伴随有疲劳-剥落磨损和磨料磨损等；而在较高的切削速度下以疲劳-剥落磨损和扩散磨损为主，并伴随有粘结磨损和磨料磨损等，各种磨损机理在不同的切削条件相互影响、相互作用。

（2）不同切削条件下，车铣刀具的主要磨损机理也不同，切削速度对车铣刀具的磨损过程、磨损形态及磨损强度等影响最大。在所研究的切削速度范围内，磨料磨损、粘结磨损和疲劳-剥落磨损几乎贯穿始终，而扩散磨损在切削速度提高到一定值后，才占有主导地位。

参 考 文 献：
（1）Schulz H．High Speed Turn-milling－A New Precision Manufacturing Technology for the Machining of Rotationally Symmetrical Work-pieces．Annals of the CIRP 1990 ：107-109
（2） 仇启源，庞思勤. 现代金属切削技术．北京: 机械工业出板社. 1992
（3） 贾春德, 姜增辉. 车铣原理. 国防工业出版社. 2003

袁哲俊. 金属切削实验技术. 北京: 机械工业出版社. 1987

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