金属陶瓷刀具切削难加工材料时的磨损性能研究
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数控刀具
1 引言
3C等碳化物的形式存在，且相当一部分以硬质点的形态分布于钢基体中，因此冷硬铸铁硬度高、耐磨性好，难于切削加工。切削时，硬质点的脱落会造成切削力波动，影响切削平稳性，使刀具较易崩刃而降低使用寿命。因此，迄今国内尚无切削加工冷硬铸铁的理想方法。
2 试验方法
0=9°、g0=-8°、kr=90°、kr=30°。YG8硬质合金刀片(株洲硬质合金厂生产)的型号及切削参数(切削速度vc、进刀量f及切深ap)与金属陶瓷刀片相同。进行切削后，在40倍工具显微镜下测量刀具后刀面磨损量VB并观察其磨损形态，用HITACHIX-650扫描电镜和H-800透射电镜观察金属陶瓷刀具的显微组织。
(a)SEM形貌(×3000)
(b)TEM形貌(×20000)图1 金属陶瓷刀具的显微组织
(f=0.08mm/r，ap=2mm，vc=7.5m/min)
图2 金属陶瓷刀具和YG8刀具切削冷硬铸铁时的磨损曲线
(f=0.1mm/r，ap=0.4mm，vc=60m/min)
图3 金属陶瓷刀具和YG8刀具切削不锈钢时的磨损曲线
3 试验结果与分析
- 金属陶瓷刀具的显微组织
- 金属陶瓷刀具的显微组织如图1所示。由图可见，金属陶瓷组织由陶瓷相和金属相组成(图1a)；较粗大的陶瓷相呈芯/壳结构(图1b)，芯部成分为Ti(C，N)固溶体，壳部成分主要为(Ti，Mo，W)(C，N)固溶体。与传统的Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织对比可知，向TiC基金属陶瓷中添加纳米TiN与添加微米TiN相比，对基体TiC的细化效果更为显著。
- 金属陶瓷刀具与YG8刀具切削性能对比
- 切削冷硬铸铁
- 用金属陶瓷刀具和YG8硬质合金刀具切削冷硬铸铁时的刀具磨损曲线对比如图2所示。由图可见，金属陶瓷刀具的切削性能与YG8硬质合金刀具差别较大，金属陶瓷刀具初期磨损非常快，在不到三分钟时间内磨损量VB即达到0.4mm，之后磨损速度虽有所下降，但仍然较快，且几乎不存在稳定磨损期，最后刀具崩刃失效。
- 在其它切削用量条件下进行切削试验，发现金属陶瓷刀具的切削寿命(t)均较低(最多几分钟)，失效形式一般为崩刃或微崩。由此可见，金属陶瓷刀具不适合切削冷硬铸铁，这主要因为金属陶瓷的抗弯强度和抗疲劳强度较低，切削冷硬铸铁时切削力和切削力波动均较大，因此金属陶瓷刀具极易崩刃失效。而YG8硬质合金刀具强度高、韧性好，抗机械疲劳性能较好，切削冷硬铸铁时刀具寿命较长。此外，切削冷硬铸铁时，刀具几何角度也是影响刀具寿命的一个重要因素。为减小切屑变形和切削力，一般需采用较小的前角和后角，为了不降低刀刃强度，还需对刀刃进行倒圆或磨出负倒棱以及通过研磨消除刀刃缺陷。
- 切削不锈钢
- 用金属陶瓷刀具和YG8硬质合金刀具切削1Cr18Ni9Ti不锈钢时的磨损曲线对比如图3所示。由图可见，金属陶瓷刀具的切削性能优于YG8硬质合金刀具，其寿命是YG8刀具的三倍以上，这主要得益于金属陶瓷材料优良的综合力学性能和导热性好、抗粘结性能好等优良的物理性能［6］。采用金属陶瓷刀具加工的工件表面质量也优于YG8刀具。因此可见，金属陶瓷刀具较适合不锈钢的半精加工和精加工。
- 加工不锈钢材料时，为保证切削加工顺利进行并获得较高的刀具寿命和工件表面质量，应注意以下几点：①应选用较大前角和较小主偏角，以减小切削力，使切削更轻快；②应仔细研磨刀具的前面和后面，以获得较高的表面光洁度，以避免切削时与工件发生粘结；③选用较高的切削速度或极低的切削速度；④不锈钢切屑的韧性较强，故应采取相应的有效措施进行断屑、卷屑及排屑；⑤不锈钢材料导热性差、线膨胀系数较大，在切削区域局部高温作用下极易产生热变形，精加工时容易影响尺寸精度，因此应选用导热性较好的刀具；⑥应尽量提高机床—刀具工艺系统的刚度。
- 切削冷硬铸铁
4 结论
- 由于金属陶瓷刀具的抗弯强度和抗疲劳强度较低，在切削冷硬铸铁时切削力和切削力波动较大，因此刀具寿命较低且多以崩刃、微崩的形式失效。而YG8硬质合金刀具的寿命相对较高。
- 由于金属陶瓷刀具具有优良的综合力学性能和物理性能，因此在切削1Cr18Ni9Ti不锈钢时其刀具寿命远高于YG8硬质合金刀具。
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