陶瓷转位刀片的磨损特性
在极低的切削速度和进给速度条件下，在采用陶瓷合
成金刚石磨盘的磨削试验中，陶瓷刀具的磨损量很小
研究工作表明，在对灰口铸铁工件进行车削加工时，陶瓷转位刀片的使用和磨损特性在很大程度上会受到切削面的磨削加工的影响。
尽管轻金属、塑料和复合材料的使用比例越来越大，但是灰口铸铁在建筑材料领域里仍然占据着重要的地位。其重点应用领域是对车辆和机器设备的大批量加工。在这个领域里，所要求的加工数量巨大，而加工时间要短，加工费用要尽可能低。
高效陶瓷可以提高单位时间的切削量
作为铸铁切削加工上的切削材料，可以优先采用高效陶瓷。与高速钢和硬金属相比，通常高效陶瓷的热硬度和化学耐受能力均很强，采用陶瓷切割材料，如果切削工艺搭配得当，则可以达到很高的单位时间切削量。由此可以极大提高生产效率和生产安全性，降低生产成本。在切削GJS时，与加工其他铸铁材料相比，刀具的使用寿命明显缩短。在很短的加工时间过后，诸如月牙洼磨损和自由面磨损等典型的磨损形式就显现出来。转位刀片自由面的预设定磨削工艺可以在很大程度上影响到磨损形式。因此，研究工作的目的便是要对在陶瓷转位刀片切削面磨削时的工艺调节参数对灰口铸铁加工时的刀片的使用和磨损状态进行测定。
为了研究磨削工艺流程对灰口铸铁加工中陶瓷转位刀片的使用性能的影响，对设有不同工艺参数的陶瓷转位刀片的切削面进行磨削。所使用的是未涂层的SNGN120408型氮化硅（Si3N4）和氧化铝陶瓷（Al2O3 + ZrO2）转位刀片。此类材料的特性，就如同硬度高、可切削性差和塑性可变形性低等特性一样，对于磨削工艺流程设计来说非常关键。因此，陶瓷材料在切削和进给速度可变化的情况下，通过采用平面圆周磨削工艺和磨削油，在反向上接受加工。作为刀具，则采用一种颗粒为D64和密度为C100的合成树脂和合成陶瓷的金刚石磨盘。
磨盘参数对磨削作业力的影响
在磨削过程中，采用三元压力计来测定作业力。对相关磨削参数对磨削力的影响程度作了研究。然后，在恒定的工艺参数（Vc =400m/min，f=0.15mm，ap=1mm）和外侧纵向车削工艺下，在GJS-600试验材料上投入使用切削面经过抛光的转位刀片。试验结构见图1。在经过一段特定的加工时间之后，可以得出月牙凹深度和磨损痕迹宽度以及磨损表现形式，以便对磨损状态作出评价。
图1 在MD 10S型Gildemeister车床设备上对灰口铸铁工件进行加工
试验参数：转位刀片外形为SNGN 120408的刀具，αelf=6°，γelf=-?6°，
κ=75°；切削参数：vc=400m/min，=0.15mm，ap=1mm，使用时间 tc=33s
图2a所示在对所选择的陶瓷材料进行磨削加工中，正常磨削力和所使用的两个磨盘的切削、进给速度之间的关系。从中可以看出，当工艺参数恒定时，进给速度的提高会与切削力的上升紧密相连。当进给速度较高时，磨盘可在较短的时间内削下相同的材料量。这会导致磨盘受到较高的载荷和较大的切削力。而切削速度加大则会导致切削力的减小（图2b）。这主要是因为在每个单位时间内每个颗粒所受到的载荷较小。
图2 磨削参数（vf和vc）对磨削力与进给量（a）和切削速度（b）之间关系的影响
参数：反向平面圆周磨削，磨盘1A1-125-15-4-20 D64 C100，vc=可变，
=可变，进刀ae = 0.1mm；冷却润滑方案：非水混合型矿物油，v40℃=10.5mm2/s。nextpage
在使用陶瓷金刚石磨盘时，所出现的切削力要明显小于在采用合成树脂磨盘时的切削力。其原因主要是两者粘合材料的磨损特性不同。金刚石颗粒更快速地从粘合部位脱落，新的尖状颗粒接着继续切削，从而导致较弱的切削力。
此外，还可以测得所观察的材料对切削力影响的效果。可以看出，在磨削氮化硅陶瓷材料时的磨削力明显要高于氧化铝陶瓷材料的磨削力。这种差异可以归结于材料的不同结构和不同分离机理的缘由。从氮化硅陶瓷磨削的塑性变形到氧化铝陶瓷磨削时的脆性剥落，都存在这种差异。
在磨削流程结束之后，采用陶瓷转位刀片对GJS-600球墨灰口铸铁进行外围纵向车削。根据月牙凹深度和磨损痕迹宽度对磨损状态进行定量分析，同时也根据条光显微摄像结果，对磨损状态进行定性分析（图3）。图4a为所产生的月牙凹深度与磨削流程中的进给速度的相互关系。在使用时间tc=33s保持不变的条件下，当进给速度加大时，所测得的月牙凹深度也会呈轻微上升的态势。
图3 在灰口铸铁加工之后的陶瓷转位刀片
a 磨削加工之后的氮化硅陶瓷Si3N4；b 在外围纵向车削之后；c 3D拓扑摄像；
d 氧铝陶瓷Al2O3；e 在外围纵向车削之后；f 3D拓扑外形
随着机械载荷加大，磨削过程中的进给速度也会随之上升，从而达到切削能力加大和接触面温度升高的效果。由于热影响时间得以缩短，虽然工件上的温度梯度有所上升，但是在刀具边缘区域并不会出现对月牙凹深度造成不良影响的热载荷。
图4 磨削参数对月牙凹深度与进给（a）和切削速度（b）之间关系的影响
方法1：反向平面圆周磨削，磨盘1A1-125-15-4-20 D64 C100，
冷却润滑方案：非水混合型矿物油，v40℃=10.5mm2/s，进刀ae=0.1mm；
方法2：外围纵向车削：切削材料Si3N4和Al2O3，转位刀片外形为SNGN 120408，
αelf=6o，γelf=-6o，εr=90o，κ=75o，
切削参数：vc=400m/min，=0.15mm，ap=1mm，使用时间tc=33s
切削速度上升导致月牙凹深度加大
磨削流程中的切削速度上升会导致月牙凹深度加大（图4b）。切削速度加大，则磨削刀具会受到更大的热载荷，因此工件的边缘区域和纹理结构均会受到损伤，从而造成刀具在后续车削流程中的磨损程度进一步加快的结果。
从趋势上看，陶瓷合成金刚石磨盘刀具的月牙凹深度要缓于合成树脂磨盘刀具的月牙凹深度。其主要原因在于陶瓷合成磨盘的气隙较大，磨削冷却效果较好，因此刀具的热损伤也就较小。
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