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硬质合金刀片断续切削时的破损分析

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在切削过程中(尤其在断续切削时)出现裂纹而导致破损一直是困扰人们的加工难题正确认识产生裂纹的原因并采取相应预防措施是提高刀具工作寿命及切削性能的关键。相关研究文献指出,在较高切削速度下进行切削时,刀具易产生热裂纹,且刃口崩刃现象会增加。本文通过切削试验分析了断续切削时硬质合金刀具产生裂纹的机理,发现在切削循环周期的加热阶段,压缩热应力可沿着正对切削刃口的前刀面狭窄区带引起的局部塑性变形,随后当该狭窄区带在外界弹性材料影响下再次强迫冷却时,便会产生足以引起可见裂纹的拉应力,从而验证了热应力是引起硬质合金刀具裂纹的主要原因的论点。
 
表1 刀具成分含量
刀具牌号 总碳
(%)
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 切削试验方法与温度测量结果

切削试验在株洲硬质合金厂中心实验室进行。试验方法为在上车削矩形截面试件,以模拟断续切削条件。试件材料为含0.6~0.8%Mn、0.5%Ni、0.5%Cr和0.5%Mo的碳素钢(硬度约为HV170)。分别采用 A、B、C三种牌号的硬质合金刀具进行切削,刀具成分含量见表1。刀具切削刃几何角度:横向前角和刃倾角为0°,横向后角和副后角为6°,余偏角为0°, 副偏角为6°。
典型切削条件:切削速度v=95m/min,进给量f=0.25mm/r,切削深度ap=6mm。由于对切削截面为50mm×250mm的试件进行切削试验时,采用上述切削条件切削两分钟后所有牌号硬质合金刀具均出现裂纹,因此将其确定为典型切削条件。
采用刀具—工件热电偶法测量刀具—切屑截面温度。测量结果典型记录曲线见图1。为根据曲线斜率的变化求出最小循环温度,需用示波器摄下记录曲线,然后根据放大照片求出最小循环温度。
 

图1 刀具—工件热电偶典型记录曲线

(a)刀片底面

(b)刀片顶部
图2 测温热电偶的安装位置
在分析刀具破损机理时,需要知道刀具内部的温度分布。为此,在切削过程中利用热电偶和热敏电阻测量刀片的界面温度,根据刀片界面温度可以计算出刀具内部温度。测温热电偶的安装位置见图2。在刀片切削过程中测得的典型温度分别见表2、表3。
在每次切削试验过程中,用紫外线记录仪连续记录刀具的切削力,用装在上的校正应变仪测定切向力和进刀力。
表2 热电偶的典型测量结果
(采用氧化铝垫片的C牌号硬质合金)
切削时间
(min)
热电偶安装位置及测得温度
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 热电偶的典型测量结果
(采用钢垫片的C牌号硬质合金)
切削时间
(min)
热电偶安装位置及测得温度
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 刀具破损的观测


 

图3 计算坐标系
刀具在进行断续切削时,其损坏形态与连续切削时一样,可分为后刀面磨损、月牙洼磨损、刀具永久变形及切削刃的机械破裂。通过对试验刀具进行破损观测,发现A、B牌号的硬质合金刀具很快就产生后刀面磨损和月牙洼磨损,同时所有牌号的硬质合金刀具的前刀面均产生横向裂纹(可看作是热裂纹)。试验发现,一旦硬质合金刀具产生了热裂纹,很快就会引起破损,发生切削刃崩刃和前刀面剥落现象。

4 刀片弹性应力的计算

采用图3所示坐标系计算刀片弹性应力。切削力的方向与z轴平行,该方向的弹性方程为
(1)
首先假定产生了热应力,且当各点的应变eZ=0时平面应变状态保持在xy平面上。与该状态有关的应力用撇号“'”表示,根据式(1)可求出z方向的合力为
(2)
关于y轴的合力矩则为
(3)
在式(2)、(3)中,由于对称的缘故,在zx平面和zy平面上没有作用力,因此第二积分均等于零。
鉴于刀片夹固在刀杆上时实际已承受了物理约束力,显然:①刀片能够沿z方向任意伸缩;②刀片能够在zx平面上任意弯曲;③由于刀片已被夹固,因此不能在zy平面随意弯曲。所以,根据假定平面应变条件,由式(1)求出的切削刃热应力必须加上约束力消除时产生的应力
(4)
根据式(2)、(3),式(4)可简化为

式中:Tc——切削刃温度
Tr积分后求得的温度,即
为了用图解形式计算上述积分,xy平面上各点的温度T可根据图4所示温度曲线求出。为了绘制这些曲线,刀具—切屑接触区温度随时间的变化情况可按图1所示形式进行简化。具体方法涉及到热力学知识,限于篇幅,此处从略。
 

1
*.根据试验求得的温度 ○.推测的温度-.刀片的范围 传热系数H=0.30
图4 xy平面的温度曲线

5 应力值的测定与分析

如上所述,将刀片看作完全弹性体进行的热应力分析无法显示可引起明显裂纹的沿切削刃方向的任何拉应力。因此,需要重点分析可引起初始压缩变形的由峰值循环温度导致的最大应力。用刀具一工件热电偶测出的一个典型温度周期如图1所示当利用C牌号硬质合金的弹性模量测定值E=5.24×1011N/m2及线膨胀系数a=5.2×10-6/℃时,则由式(4)求出热应力值sx=2 7,24,800(-Te+Tr)
当切削开始时,刀片温度与环境温度相同,Tr=20℃。如测出该牌号硬质合金的峰值循环温度Te=700℃,则sx=-1.852864×109N/m2。随着切削的进行,应力逐渐减弱,切削约2分钟后达到稳定状态,此时Te=200℃,产生的最大压应力为sx=1.3624×109N/m2。通过设定最低循环温度(Te=350℃),便可通过类似计算求出冷却期结束时的最小循环应力。
经计算求出的最大应力似乎还不足以使C牌号硬质合金产生塑性变形(在700℃时约需2.7428×109N/m2的屈服压应力)。除热应力外,还应估计到切削压力的影响。为提供2.484×109N/m2的单位切削力,对于典型切削条件(进给量f=0.25mm/r,切削深度ap=6mm),要求测得的切向切削分力达3920N。作用在切屑接触面上的平均压力可能略低于单位切削力。据估计,位于切削刃附近的前刀面上的压力约为单位切向切削分力的2/3,即sy=-1.656×109N/m2。对于xy平面的应变状态,在x方向的应力等于零时,z方向上的应力为

1

式中,取u=0.3。
如前所述 ,当刀片上无合力(或合力矩)时,该平面的应变量在某种程度上会减小。当按0.83的倍率进行计算时,由于存在切屑粘附,残留的附加应力仍达到sx=-4.14×109N/m2。如y、z方向上的应力值出现一定程度的偏差,再加上热应力,则应力值就可高到足以引起刀具塑性变形的程度。

6 刀片变形分析

现在分析刀片压缩变形的可能方式。首先考察刀片由切削刃向背面延伸的一段区域的变形。尽管因切屑粘附而产生的附加垂直应力会加速该区域的变形,但这种变形未必会延展到整个区域内,其原因有两点:①在不断循环的切削过程中,由于刀片表面温度在有效时间内向刀片内部的渗透有限,因此热应力必然随着表面温度向前刀面下方渗透深度的增大而减弱;②切削刃本身的塑性变形可能会导致刃口产生裂纹。由于这些裂纹开始于略靠近切削刃的后部,这表明压缩变形被限制在切削刃后部一条狭窄的前刀面上。根据现有数据,这一狭窄区域承受着压应力sysz,在循环的切削过程中,两者的数值约为1.38×109N/m2或更高。当切削温度达到700℃时,压应力sysz有可能导致硬质合金刀片产生轻微的塑性变形。但应指出,测定应力值时热电偶所指示的温度是切屑粘附面上的平均温度显然,在距切削刃很近的最高温度区内的局部温度要高得多(约超过900℃)。如这种可能性确实存在,则局部热应力,sz将增大,同时硬质合金的抗压强度则会降低(只有约2.07×109N/m2)。在此条件下,在循环的切削过程中刀片完全可能发生局部的压缩塑J性变形。随着前刀面冷却到最低温度,便会产生拉应力。一般情况下,约需1.38×109N/m2的拉应力才可能引起刀片断裂,但在应力多次循环的情况下,较低的拉应力就足以引起刀片断裂。为研究这一问题,需要有在高温状态下材料对应力的机械敏感性的精确数据。

7 结论

    • 假如一片无起始应力的硬质合金刀片以完全弹性体的方式受热应变所控制,则计算结果表明,在切削一冷却循环过程的任何阶段均不会产生拉应力。这一结论对于分别使用氧化铝垫片和钢垫片进行切削试验的三种硬质合金牌号刀片是成立的,但可以断定,所用垫片类型对此并无实际影响。
    • 通过切削试验发现,在切削过程中,热应力与刀具的机械负荷同时存在,从而有可能引起刀具的压缩塑性应变。这种塑性变形可能发生在刀具一切屑接触区中温度最高的部位,而该部位位于切削刃背面的某一范围内。鉴于裂纹的产生意味着存在拉应力,据此可推测这些拉应力是在切削循环的冷却阶段由外界弹性物体对塑性变形区施加作用力所引起的。这一分析结论可根据裂纹起始于切削刃背面某一范围的事实得到验证。
    • 根据观测结果,刀具的破损形式有两种:①切削刃崩刃;②介于两个裂纹之间的前刀面发生局部剥落。在断续切削过程中,刀具发生崩刃的原因尚不十分清楚,但可能与热应力并无关系,因为在低速切削时也会发生崩刃现象。但是,沿垂直于切削刃方向产生的裂纹可能与热应力有关二陶瓷材料会发生热破裂是众所周知的事实,但由于各种类型的裂纹交错存在,因此热裂纹似乎并不是陶瓷刀具破损的直接原因。然而对于硬质合金刀具,当介于两条裂纹之间的那部分前刀面发生剥落时,热裂纹往往会直接引起刀具破损。
  1. 用刀具—工件热电偶测量温度时发现,在循环切削过程中,最大和最小循环温度保持不变,且不受所用垫片类型的影响。因此,在切削过程中产生的压缩热应力值可通过刀片的体积温度加以控制。在切削开始前对硬质合金刀具进行预热处理可降低较高的起始压应力,从而有利于提高刀具的使用性能。

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