硬質合金刀片斷續切削時的破損分析

2011-05-06 17:45:43 閱讀：

1 引言

硬質合金刀具在切削過程中(尤其在斷續切削時)出現裂紋而導致破損一直是困擾人們的加工難題正確認識產生裂紋的原因并采取相應預防措施是提高刀具工作壽命及切削性能的關鍵。相關研究文獻指出，在較高切削速度下進行切削時，刀具易產生熱裂紋，且刃口崩刃現象會增加。本文通過切削試驗分析了斷續切削時硬質合金刀具產生裂紋的機理，發現在切削循環周期的加熱階段，壓縮熱應力可沿著正對切削刃口的前刀面狹窄區帶引起刀片的局部塑性變形，隨后當該狹窄區帶在外界彈性材料影響下再次強迫冷卻時，便會產生足以引起可見裂紋的拉應力，從而驗證了熱應力是引起硬質合金刀具裂紋的主要原因的論點。

**表1 刀具成分含量**
刀具牌號	總碳 (%)	Co (%)	Ti (%)	Ta (%)	Te (%)	HV硬度
A	5.6	6	0.05	0	0.1	1600
B	5.3	13	0.3	0	0.1	1300
C	8.3	8	15	4	0.2	1600

2 切削試驗方法與溫度測量結果

切削試驗在株洲硬質合金廠中心實驗室進行。試驗方法為在車床上車削矩形截面試件，以模擬斷續切削條件。試件材料為含0.6～0.8%Mn、0.5%Ni、0.5%Cr和0.5%Mo的碳素鋼(硬度約為HV170)。分別采用 A、B、C三種牌號的硬質合金刀具進行切削，刀具成分含量見表1。刀具切削刃幾何角度：橫向前角和刃傾角為0°，橫向后角和副后角為6°，余偏角為0°, 副偏角為6°。

典型切削條件：切削速度v＝95m/min，進給量f=0.25mm/r，切削深度a_p=6mm。由于對切削截面為50mm×250mm的試件進行切削試驗時，采用上述切削條件切削兩分鐘后所有牌號硬質合金刀具均出現裂紋，因此將其確定為典型切削條件。

采用刀具—工件熱電偶法測量刀具—切屑截面溫度。測量結果典型記錄曲線見圖1。為根據曲線斜率的變化求出最小循環溫度，需用示波器攝下記錄曲線，然后根據放大照片求出最小循環溫度。

圖1 刀具—工件熱電偶典型記錄曲線
(a)刀片底面	(b)刀片頂部
圖2 測溫熱電偶的安裝位置

在分析刀具破損機理時，需要知道刀具內部的溫度分布。為此，在切削過程中利用熱電偶和熱敏電阻測量刀片的界面溫度，根據刀片界面溫度可以計算出刀具內部溫度。測溫熱電偶的安裝位置見圖2。在刀片切削過程中測得的典型溫度分別見表2、表3。

在每次切削試驗過程中，用紫外線記錄儀連續記錄刀具的切削力，用裝在刀桿上的校正應變儀測定切向力和進刀力。

**表2 熱電偶的典型測量結果**
(采用氧化鋁墊片的C牌號硬質合金)
切削時間 (min)	熱電偶安裝位置及測得溫度
切削時間 (min)	位置1	位置2	位置3	位置4	位置5
0.5	85℃	45℃	50℃	50℃	40℃
1	95℃	55℃	60℃	60℃	50℃
2	115℃	65℃	75℃	75℃	60℃
3	120℃	75℃	80℃	75℃	65℃

**表3 熱電偶的典型測量結果**
(采用鋼墊片的C牌號硬質合金)
切削時間 (min)	熱電偶安裝位置及測得溫度
切削時間 (min)	位置1	位置2	位置3	位置4	位置5
0.5	70℃	35℃	40℃	40℃	35℃
1	75℃	45℃	45℃	45℃	40℃
2	85℃	50℃	55℃	55℃	40℃
3	90℃	55℃	60℃	60℃	50℃

3 刀具破損的觀測

圖3 計算坐標系

刀具在進行斷續切削時，其損壞形態與連續切削時一樣，可分為后刀面磨損、月牙洼磨損、刀具永久變形及切削刃的機械破裂。通過對試驗刀具進行破損觀測，發現A、B牌號的硬質合金刀具很快就產生后刀面磨損和月牙洼磨損，同時所有牌號的硬質合金刀具的前刀面均產生橫向裂紋(可看作是熱裂紋)。試驗發現，一旦硬質合金刀具產生了熱裂紋，很快就會引起破損，發生切削刃崩刃和前刀面剝落現象。

4 刀片彈性應力的計算

采用圖3所示坐標系計算刀片彈性應力。切削力的方向與z軸平行，該方向的彈性方程為

(1)

首先假定產生了熱應力，且當各點的應變e_Z=0時平面應變狀態保持在xy平面上。與該狀態有關的應力用撇號“'”表示，根據式(1)可求出z方向的合力為

(2)

關于y軸的合力矩則為

(3)

在式(2)、(3)中，由于對稱的緣故，在zx平面和zy平面上沒有作用力，因此第二積分均等于零。

鑒于刀片夾固在刀桿上時實際已承受了物理約束力，顯然：①刀片能夠沿z方向任意伸縮；②刀片能夠在zx平面上任意彎曲；③由于刀片已被夾固，因此不能在zy平面隨意彎曲。所以，根據假定平面應變條件，由式(1)求出的切削刃熱應力必須加上約束力消除時產生的應力

(4)

根據式(2)、(3)，式(4)可簡化為

式中：T_c——切削刃溫度

T_r積分后求得的溫度，即

為了用圖解形式計算上述積分，xy平面上各點的溫度T可根據圖4所示溫度曲線求出。為了繪制這些曲線，刀具—切屑接觸區溫度隨時間的變化情況可按圖1所示形式進行簡化。具體方法涉及到其它熱力學知識，限于篇幅，此處從略。

*.根據試驗求得的溫度 ○.推測的溫度-.刀片的范圍傳熱系數H=0.30
圖4 xy平面的溫度曲線

5 應力值的測定與分析

如上所述，將刀片看作完全彈性體進行的熱應力分析無法顯示可引起明顯裂紋的沿切削刃方向的任何拉應力。因此，需要重點分析可引起初始壓縮變形的由峰值循環溫度導致的最大應力。用刀具一工件熱電偶測出的一個典型溫度周期如圖1所示當利用C牌號硬質合金的彈性模量測定值E=5.24×10¹¹N/m²及線膨脹系數a=5.2×10^-6/℃時，則由式(4)求出熱應力值s_x=2 7,24,800(-T_e+T_r)

當切削開始時，刀片溫度與環境溫度相同，T_r=20℃。如測出該牌號硬質合金的峰值循環溫度T_e＝700℃，則s_x=-1.852864×10⁹N/m²。隨著切削的進行，應力逐漸減弱，切削約2分鐘后達到穩定狀態，此時T_e=200℃，產生的最大壓應力為s_x=1.3624×10⁹N/m²。通過設定最低循環溫度(T_e=350℃)，便可通過類似計算求出冷卻期結束時的最小循環應力。

經計算求出的最大應力似乎還不足以使C牌號硬質合金產生塑性變形(在700℃時約需2.7428×10⁹N/m²的屈服壓應力)。除熱應力外，還應估計到切削壓力的影響。為提供2.484×10⁹N/m²的單位切削力，對于典型切削條件(進給量f=0.25mm/r，切削深度a_p=6mm)，要求測得的切向切削分力達3920N。作用在切屑接觸面上的平均壓力可能略低于單位切削力。據估計，位于切削刃附近的前刀面上的壓力約為單位切向切削分力的2/3，即s_y=-1.656×10⁹N/m²。對于xy平面的應變狀態，在x方向的應力等于零時，z方向上的應力為

式中，取u=0.3。

如前所述，當刀片上無合力(或合力矩)時，該平面的應變量在某種程度上會減小。當按0.83的倍率進行計算時，由于存在切屑粘附，殘留的附加應力仍達到s_x=-4.14×10⁹N/m²。如y、z方向上的應力值出現一定程度的偏差，再加上熱應力，則應力值就可高到足以引起刀具塑性變形的程度。

6 刀片變形分析

現在分析刀片壓縮變形的可能方式。首先考察刀片由切削刃向背面延伸的一段區域的變形。盡管因切屑粘附而產生的附加垂直應力會加速該區域的變形，但這種變形未必會延展到整個區域內，其原因有兩點:①在不斷循環的切削過程中，由于刀片表面溫度在有效時間內向刀片內部的滲透有限，因此熱應力必然隨著表面溫度向前刀面下方滲透深度的增大而減弱;②切削刃本身的塑性變形可能會導致刃口產生裂紋。由于這些裂紋開始于略靠近切削刃的后部，這表明壓縮變形被限制在切削刃后部一條狹窄的前刀面上。根據現有數據，這一狹窄區域承受著壓應力s_y和s_z，在循環的切削過程中，兩者的數值約為1.38×10⁹N/m²或更高。當切削溫度達到700℃時，壓應力s_y和s_z有可能導致硬質合金刀片產生輕微的塑性變形。但應指出，測定應力值時熱電偶所指示的溫度是切屑粘附面上的平均溫度顯然，在距切削刃很近的最高溫度區內的局部溫度要高得多(約超過900℃)。如這種可能性確實存在，則局部熱應力，s_z將增大，同時硬質合金的抗壓強度則會降低(只有約2.07×10⁹N/m²)。在此條件下，在循環的切削過程中刀片完全可能發生局部的壓縮塑J性變形。隨著前刀面冷卻到最低溫度，便會產生拉應力。一般情況下，約需1.38×10⁹N/m²的拉應力才可能引起刀片斷裂，但在應力多次循環的情況下，較低的拉應力就足以引起刀片斷裂。為研究這一問題，需要有在高溫狀態下材料對應力的機械敏感性的精確數據。

7 結論

假如一片無起始應力的硬質合金刀片以完全彈性體的方式受熱應變所控制，則計算結果表明，在切削一冷卻循環過程的任何階段均不會產生拉應力。這一結論對于分別使用氧化鋁墊片和鋼墊片進行切削試驗的三種硬質合金牌號刀片是成立的，但可以斷定，所用墊片類型對此并無實際影響。
通過切削試驗發現，在切削過程中，熱應力與刀具的機械負荷同時存在，從而有可能引起刀具的壓縮塑性應變。這種塑性變形可能發生在刀具一切屑接觸區中溫度最高的部位，而該部位位于切削刃背面的某一范圍內。鑒于裂紋的產生意味著存在拉應力，據此可推測這些拉應力是在切削循環的冷卻階段由外界彈性物體對塑性變形區施加作用力所引起的。這一分析結論可根據裂紋起始于切削刃背面某一范圍的事實得到驗證。
根據觀測結果，刀具的破損形式有兩種：①切削刃崩刃；②介于兩個裂紋之間的前刀面發生局部剝落。在斷續切削過程中，刀具發生崩刃的原因尚不十分清楚，但可能與熱應力并無關系，因為在低速切削時也會發生崩刃現象。但是，沿垂直于切削刃方向產生的裂紋可能與熱應力有關二陶瓷材料會發生熱破裂是眾所周知的事實，但由于各種類型的裂紋交錯存在，因此熱裂紋似乎并不是陶瓷刀具破損的直接原因。然而對于硬質合金刀具，當介于兩條裂紋之間的那部分前刀面發生剝落時，熱裂紋往往會直接引起刀具破損。

用刀具—工件熱電偶測量溫度時發現，在循環切削過程中，最大和最小循環溫度保持不變，且不受所用墊片類型的影響。因此，在切削過程中產生的壓縮熱應力值可通過刀片的體積溫度加以控制。在切削開始前對硬質合金刀具進行預熱處理可降低較高的起始壓應力，從而有利于提高刀具的使用性能。

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