低温冷风高速切削时硬质合金涂层刀具磨损的研究.doc

低温冷风高速切削时硬质合金涂层刀具磨损的研究摘要：分别在常温微润滑、低温冷风和低温冷风微润滑条件下高速切削难加工材料，对硬质合金涂层刀具磨损形态、微观形貌进行对比分析，研究绿色制造工艺中低温冷风高速切削加工时硬质合金涂层刀具磨损机理。1引言 绿色制造工艺中常用硬质合金涂层刀具来进行干切削加工，由于刀面与切屑和工件新表面接触，产生剧烈摩擦，同时在接触区内有很高的温度和压力，因此，在前刀面和后刀面都会发生严重磨损。刀具磨损后将使得切削力增大、切削温度上升、工艺系统产生振动、加工表面质量降低。因此，在绿色制造工艺的高速切削加工过程中，要改善刀具的磨损状况，根本性的措施是降低切削温度。 2 低温冷风切削技术 低温冷风切削技术是由横川和彦教授最早提出，采用低温冷风替代传统的冷却液，将气体从前刀面、后刀面、切屑流动的逆方向喷射到切削区，使切削区处于低温下进行切削加工的一种加工方法，实现前刀面与切屑之间、后刀面与已加工表面之间气体射流冷却润滑。该技术可显著降低切削区的温度，润滑切削副，对切削力、刀具磨损、切屑折断、被加工表面粗糙度等方面产生积极的影响。文献1对在干切削状态下铣削Ti6Al4V时硬质合金刀具磨损机理和切削力进行了试验研究，结果表明粘结、扩散是硬质合金铣刀的主要磨损机理。文献2研究了常温氮气油雾对钛合金高速铣削加工性能的影响，发现与常温干切削相比，常温氮气油雾更能有效地抑制刀具的磨损。在低温冷风高速切削中，刀具磨损是影响该技术应用推广的瓶颈之一，在不同介质下加工各类工件材料时硬质合金涂层刀具的磨损情况是不同的，需要从其机理的角度进行研究和预防。 在金属高速切削加工过程中，由于切削区的温度升高使得切削副润滑降低和刀具磨损加剧。低温冷风切削法可以较好解决高速加工中高切削热的难题，使切削区域低温化，不仅能使工件材料局部冷脆，更有利于切屑的剪切断裂和降低切削负荷，同时也防止了刀具自身的扩散磨损、相变磨损和粘结磨损，微量油雾润滑降低了刀具与工件、刀具与切屑间的摩擦力，使刀具寿命得到延长。 在切削速度较高时，切削温度也在升高，一方面，塑性变形速度快使材料强度增加的影响，足以抵消切削温度升高使材料强度降低的影响；另一方面，切削温度是在切削变形过程中产生的，因此对剪切面上的应力应变状态来不及产生很大的影响，只对切屑底层的剪切强度产生影响；尽管如此，切屑温度上升，使切屑的延展性增加、不易折断，刀具的磨损增大。在高速切削加工过程中、利用低温冷风降低切削区域加工温度，可以改善加工环境，但低温冷风高速切削对加工过程中的各类技术参数的影响与常温状态下的影响是不同的。 3 低温冷风切削试验条件与刀具磨损微观形貌 试验中选取工件材料为镍基高温合金和淬硬钢，工具为硬质合金涂层刀具和陶瓷刀具，分别车削Inconel 718圆棒、铣削AISI D2淬硬钢，考察在不同冷却润滑环境(压缩氮气压力0.6MPa，流量120Lmin，切削油雾耗量120mLh，低温冷风-15)中的刀具磨损情况，刀具磨钝标准为IS03685；切削试验结束后，用HITACHI S-570型扫描电子显微镜(SEM)观察刀具的磨损区域刀具表面磨损带形貌。硬质合金涂层刀具的磨损形貌主要有刀面粘结磨损和磨料磨损。 (1)硬质合金涂层刀具高速车削镍基高温合金由于Inconel 718属于镍基高温合金，具有高温强度高，塑性变形大，加工硬化严重，在常温下不宜加工。在不同冷却润滑条件下，KC5010 TiAIN硬质合金涂层刀具车削Inconel 718棒料一定长度时刀具磨损的情形见图1，后刀面磨损微观形貌见图2。 图1. 不同冷却润滑条件下刀尖磨损随时间的变化趋势 图2. 不同冷却润滑条件下后刀面磨损微观形貌 (2)硬质合金涂层刀具高速铣削淬硬钢 图3是在不同冷却润滑条件下刀尖和后刀面磨损后的微观形貌，可以看出刀具表面都有不同程度的粘结磨损。图4为后刀面磨损随铣削长度而变化的情况。 图3. 不同冷却润滑条件下硬质合金涂层刀具磨损后