摘 要:使用(Ti,Al)N涂层质合金刀具， 对难加工材料中的超高强度合金钢( 硬度>50HRc,抗拉强度σb>1.6GPa)在切削速度118~236m/min范围内,进行了干式高速端面铣削系统试验。借助能谱探针与电子扫描显微镜(SEM)等工具，选择刀具寿命作为刀具切削性能的评价指标，对硬质合金刀具前，后刀面的磨损形态， 磨损机理以及刀具的切削性能进行了分析与研究。研究结果表明，高速切削超高强度合金钢条件下，(Ti,Al)N涂层刀具的失效形式为：前，后刀面磨损失效和发生在主切削刃上的涂层脱落和微崩刃，其主要磨损机理为高温条件下粘结磨损，氧化磨损和扩散磨损的综合作用。

　　关键词：难加工材料;高速切削;干式加工;切削性能

　   高加工精度与较小切削力等特点，且在切削过程中不使用化学切削液，具有相当重要的绿色环保特性。因此，高速干式铣削在武器装备，航空航天， 汽车制造等行业领域有广泛和深入的工业应用前景。

　　作者通过快速对比切削试验，研究两种不同配比(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具高速干式端铣加工超高强度钢时的磨损特性与磨损机理。

　　1  试验条件与步骤

　　铣削加工作为一种断续切削过程! 周期机械应力与周期热应力对刀具寿命，失效形式和磨损机理影响十分显著，多数情况下，周期机械与热应力是引发刀具产生显微裂纹，发生微崩刃和最终导致刀具破损失效的主要原因。高速干式切削的一个显著特点是不使用切削冷却液，因此在切削过程中所产生的切削热不能及时散失，在一般情况下切削超高强度钢材料时，切削刃附近温度通常在700°C左右，甚至更高。

　　(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具是将具有高化学稳定性与高温硬度的(Ti,Al)N涂层材料，涂附在抗弯强度较高的K类(WC+Co)硬质合金基体表面,为获得可靠的耐磨性能与优良的高温切削性能而研制的一种超硬刀具. (Ti,Al)N类单相立方体结构亚稳态超硬涂层材料在切削温度达到1000°C时仍可保持组织稳定,而且涂层表层的高耐磨,再生致密型Al2O3组织使得该类涂层刀具具有较高的抗氧化磨损能力,因此该类涂层刀具适用于对合金钢类材料的高速干式切削加工.

　　1.1 试验工件

　　试件尺寸120mm×60mm×40mm,材料为国产新型超高强度合金钢材料,表面硬度:(50±1)HRc,化学成分与机械物理性能见表1,表2。

　　1.2 试验刀片规格与切削条件

　　本组试验共使用两种(Ti,Al)N涂层硬质合金刀片,编号分别为T01和T02,涂层显微照片见图1,图2.

图1  T01涂层SEM 照片 

图2  T02涂层SEM 照片

　　刀片规格 ISO—SPGA120608;T01涂层成分ω(N)=17.10%,ω(Al)=8.27%,ω(Ti)=74.18%;T02涂层成分ω(N)=31.16%,ω(Al)=29.42,ω(Ti)=39.41%;试验机床X52K立式升降台铣床;切削速度188m/min,147m./min,187m/min,236m/min;切削深度a1=1mm;每齿进给量fz=0.1mm/z;冷却润滑液 无.

　　1.3 试验过程

　　所有切削试验均按照刀具寿命试验规范ISO8688—2,采用端面中心对称切削方式.根据切削过程中刀片磨损的实际状况,以5,30,60s等时间段为时间间隔观察前,后刀面磨损形貌,测量记录刀片后刀面磨损量.试验.选择刀片后刀面平均磨损量VB或刃口崩刃尺寸0.3mm为磨钝标准.在试验过程中使Joel5410扫描电子显微镜和能谱分析仪观察失效刀片前,后刀面的特征磨损形貌,记录前刀面磨损凹面的形成过程和后刀面磨损形貌随切削速度的变化.

　　2  试验结果与分析

　　对所有试验刀片使用工具显微镜观察发现,这两种不同成分配比(Ti,Al)N涂层刀片的失效形式共同表现为:前, 后刀面磨损失效,主切削刃微崩和刀尖崩塌等现象.图3,图4.分别为147,187m/min时T01型涂层刀片前刀面磨损失效时的SEM照片.

　　2.1 前刀面磨损机理分析

　　从图3, 图4.中可以发现,高速切削超高强度钢时,涂层刀片前刀面磨损形式不同于常规切削速度条件下前刀面的月牙洼磨损.常规切削速度时刀具前刀面磨损所产生的月牙洼,其洼边界距离主切削刃大约是每齿进给量的2~4倍.而在本次高速铣削试验中,前刀面磨损形式表现为由主切削刃开始延伸到前刀面一定纵深的磨损凹形弧面, 图3中尺寸标记显示出前刀面磨损凹形弧面的扩展程度.

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