1 引言

硬質(zhì)合金刀具在切削過程中(尤其在斷續(xù)切削時(shí))出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致破損一直是困擾人們的加工難題正確認(rèn)識(shí)產(chǎn)生裂紋的原因并采取相應(yīng)預(yù)防措施是提高刀具工作壽命及切削性能的關(guān)鍵。相關(guān)研究文獻(xiàn)指出，在較高切削速度下進(jìn)行切削時(shí)，刀具易產(chǎn)生熱裂紋，且刃口崩刃現(xiàn)象會(huì)增加。本文通過切削試驗(yàn)分析了斷續(xù)切削時(shí)硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生裂紋的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在切削循環(huán)周期的加熱階段，壓縮熱應(yīng)力可沿著正對(duì)切削刃口的前刀面狹窄區(qū)帶引起刀片的局部塑性變形，隨后當(dāng)該狹窄區(qū)帶在外界彈性材料影響下再次強(qiáng)迫冷卻時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生足以引起可見裂紋的拉應(yīng)力，從而驗(yàn)證了熱應(yīng)力是引起硬質(zhì)合金刀具裂紋的主要原因的論點(diǎn)。

**表1 刀具成分含量**
刀具牌號(hào)	總碳 (%)	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 切削試驗(yàn)方法與溫度測量結(jié)果

切削試驗(yàn)在株洲硬質(zhì)合金廠中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)方法為在車床上車削矩形截面試件，以模擬斷續(xù)切削條件。試件材料為含0.6～0.8%Mn、0.5%Ni、0.5%Cr和0.5%Mo的碳素鋼(硬度約為HV170)。分別采用 A、B、C三種牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削，刀具成分含量見表1。刀具切削刃幾何角度：橫向前角和刃傾角為0°，橫向后角和副后角為6°，余偏角為0°, 副偏角為6°。

典型切削條件：切削速度v＝95m/min，進(jìn)給量f=0.25mm/r，切削深度a_p=6mm。由于對(duì)切削截面為50mm×250mm的試件進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)，采用上述切削條件切削兩分鐘后所有牌號(hào)硬質(zhì)合金刀具均出現(xiàn)裂紋，因此將其確定為典型切削條件。

采用刀具—工件熱電偶法測量刀具—切屑截面溫度。測量結(jié)果典型記錄曲線見圖1。為根據(jù)曲線斜率的變化求出最小循環(huán)溫度，需用示波器攝下記錄曲線，然后根據(jù)放大照片求出最小循環(huán)溫度。

圖1 刀具—工件熱電偶典型記錄曲線
(a)刀片底面	(b)刀片頂部
圖2 測溫?zé)犭娕嫉陌惭b位置

在分析刀具破損機(jī)理時(shí)，需要知道刀具內(nèi)部的溫度分布。為此，在切削過程中利用熱電偶和熱敏電阻測量刀片的界面溫度，根據(jù)刀片界面溫度可以計(jì)算出刀具內(nèi)部溫度。測溫?zé)犭娕嫉陌惭b位置見圖2。在刀片切削過程中測得的典型溫度分別見表2、表3。

在每次切削試驗(yàn)過程中，用紫外線記錄儀連續(xù)記錄刀具的切削力，用裝在刀桿上的校正應(yīng)變儀測定切向力和進(jìn)刀力。

**表2 熱電偶的典型測量結(jié)果**
(采用氧化鋁墊片的C牌號(hào)硬質(zhì)合金)
切削時(shí)間 (min)	熱電偶安裝位置及測得溫度
切削時(shí)間 (min)	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 熱電偶的典型測量結(jié)果**
(采用鋼墊片的C牌號(hào)硬質(zhì)合金)
切削時(shí)間 (min)	熱電偶安裝位置及測得溫度
切削時(shí)間 (min)	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 刀具破損的觀測

圖3 計(jì)算坐標(biāo)系

刀具在進(jìn)行斷續(xù)切削時(shí)，其損壞形態(tài)與連續(xù)切削時(shí)一樣，可分為后刀面磨損、月牙洼磨損、刀具永久變形及切削刃的機(jī)械破裂。通過對(duì)試驗(yàn)刀具進(jìn)行破損觀測，發(fā)現(xiàn)A、B牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具很快就產(chǎn)生后刀面磨損和月牙洼磨損，同時(shí)所有牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具的前刀面均產(chǎn)生橫向裂紋(可看作是熱裂紋)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一旦硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生了熱裂紋，很快就會(huì)引起破損，發(fā)生切削刃崩刃和前刀面剝落現(xiàn)象。

4 刀片彈性應(yīng)力的計(jì)算

采用圖3所示坐標(biāo)系計(jì)算刀片彈性應(yīng)力。切削力的方向與z軸平行，該方向的彈性方程為

(1)

首先假定產(chǎn)生了熱應(yīng)力，且當(dāng)各點(diǎn)的應(yīng)變e_Z=0時(shí)平面應(yīng)變狀態(tài)保持在xy平面上。與該狀態(tài)有關(guān)的應(yīng)力用撇號(hào)“'”表示，根據(jù)式(1)可求出z方向的合力為

(2)

關(guān)于y軸的合力矩則為

(3)

在式(2)、(3)中，由于對(duì)稱的緣故，在zx平面和zy平面上沒有作用力，因此第二積分均等于零。

鑒于刀片夾固在刀桿上時(shí)實(shí)際已承受了物理約束力，顯然：①刀片能夠沿z方向任意伸縮；②刀片能夠在zx平面上任意彎曲；③由于刀片已被夾固，因此不能在zy平面隨意彎曲。所以，根據(jù)假定平面應(yīng)變條件，由式(1)求出的切削刃熱應(yīng)力必須加上約束力消除時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力

(4)

根據(jù)式(2)、(3)，式(4)可簡化為

式中：T_c——切削刃溫度

T_r積分后求得的溫度，即

為了用圖解形式計(jì)算上述積分，xy平面上各點(diǎn)的溫度T可根據(jù)圖4所示溫度曲線求出。為了繪制這些曲線，刀具—切屑接觸區(qū)溫度隨時(shí)間的變化情況可按圖1所示形式進(jìn)行簡化。具體方法涉及到其它熱力學(xué)知識(shí)，限于篇幅，此處從略。

*.根據(jù)試驗(yàn)求得的溫度 ○.推測的溫度-.刀片的范圍傳熱系數(shù)H=0.30
圖4 xy平面的溫度曲線

5 應(yīng)力值的測定與分析

如上所述，將刀片看作完全彈性體進(jìn)行的熱應(yīng)力分析無法顯示可引起明顯裂紋的沿切削刃方向的任何拉應(yīng)力。因此，需要重點(diǎn)分析可引起初始?jí)嚎s變形的由峰值循環(huán)溫度導(dǎo)致的最大應(yīng)力。用刀具一工件熱電偶測出的一個(gè)典型溫度周期如圖1所示當(dāng)利用C牌號(hào)硬質(zhì)合金的彈性模量測定值E=5.24×10¹¹N/m²及線膨脹系數(shù)a=5.2×10^-6/℃時(shí)，則由式(4)求出熱應(yīng)力值s_x=2 7,24,800(-T_e+T_r)

當(dāng)切削開始時(shí)，刀片溫度與環(huán)境溫度相同，T_r=20℃。如測出該牌號(hào)硬質(zhì)合金的峰值循環(huán)溫度T_e＝700℃，則s_x=-1.852864×10⁹N/m²。隨著切削的進(jìn)行，應(yīng)力逐漸減弱，切削約2分鐘后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)T_e=200℃，產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為s_x=1.3624×10⁹N/m²。通過設(shè)定最低循環(huán)溫度(T_e=350℃)，便可通過類似計(jì)算求出冷卻期結(jié)束時(shí)的最小循環(huán)應(yīng)力。

經(jīng)計(jì)算求出的最大應(yīng)力似乎還不足以使C牌號(hào)硬質(zhì)合金產(chǎn)生塑性變形(在700℃時(shí)約需2.7428×10⁹N/m²的屈服壓應(yīng)力)。除熱應(yīng)力外，還應(yīng)估計(jì)到切削壓力的影響。為提供2.484×10⁹N/m²的單位切削力，對(duì)于典型切削條件(進(jìn)給量f=0.25mm/r，切削深度a_p=6mm)，要求測得的切向切削分力達(dá)3920N。作用在切屑接觸面上的平均壓力可能略低于單位切削力。據(jù)估計(jì)，位于切削刃附近的前刀面上的壓力約為單位切向切削分力的2/3，即s_y=-1.656×10⁹N/m²。對(duì)于xy平面的應(yīng)變狀態(tài)，在x方向的應(yīng)力等于零時(shí)，z方向上的應(yīng)力為

式中，取u=0.3。

如前所述，當(dāng)?shù)镀蠠o合力(或合力矩)時(shí)，該平面的應(yīng)變量在某種程度上會(huì)減小。當(dāng)按0.83的倍率進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于存在切屑粘附，殘留的附加應(yīng)力仍達(dá)到s_x=-4.14×10⁹N/m²。如y、z方向上的應(yīng)力值出現(xiàn)一定程度的偏差，再加上熱應(yīng)力，則應(yīng)力值就可高到足以引起刀具塑性變形的程度。

6 刀片變形分析

現(xiàn)在分析刀片壓縮變形的可能方式。首先考察刀片由切削刃向背面延伸的一段區(qū)域的變形。盡管因切屑粘附而產(chǎn)生的附加垂直應(yīng)力會(huì)加速該區(qū)域的變形，但這種變形未必會(huì)延展到整個(gè)區(qū)域內(nèi)，其原因有兩點(diǎn):①在不斷循環(huán)的切削過程中，由于刀片表面溫度在有效時(shí)間內(nèi)向刀片內(nèi)部的滲透有限，因此熱應(yīng)力必然隨著表面溫度向前刀面下方滲透深度的增大而減弱;②切削刃本身的塑性變形可能會(huì)導(dǎo)致刃口產(chǎn)生裂紋。由于這些裂紋開始于略靠近切削刃的后部，這表明壓縮變形被限制在切削刃后部一條狹窄的前刀面上。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，這一狹窄區(qū)域承受著壓應(yīng)力s_y和s_z，在循環(huán)的切削過程中，兩者的數(shù)值約為1.38×10⁹N/m²或更高。當(dāng)切削溫度達(dá)到700℃時(shí)，壓應(yīng)力s_y和s_z有可能導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)生輕微的塑性變形。但應(yīng)指出，測定應(yīng)力值時(shí)熱電偶所指示的溫度是切屑粘附面上的平均溫度顯然，在距切削刃很近的最高溫度區(qū)內(nèi)的局部溫度要高得多(約超過900℃)。如這種可能性確實(shí)存在，則局部熱應(yīng)力，s_z將增大，同時(shí)硬質(zhì)合金的抗壓強(qiáng)度則會(huì)降低(只有約2.07×10⁹N/m²)。在此條件下，在循環(huán)的切削過程中刀片完全可能發(fā)生局部的壓縮塑J性變形。隨著前刀面冷卻到最低溫度，便會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。一般情況下，約需1.38×10⁹N/m²的拉應(yīng)力才可能引起刀片斷裂，但在應(yīng)力多次循環(huán)的情況下，較低的拉應(yīng)力就足以引起刀片斷裂。為研究這一問題，需要有在高溫狀態(tài)下材料對(duì)應(yīng)力的機(jī)械敏感性的精確數(shù)據(jù)。

7 結(jié)論

假如一片無起始應(yīng)力的硬質(zhì)合金刀片以完全彈性體的方式受熱應(yīng)變所控制，則計(jì)算結(jié)果表明，在切削一冷卻循環(huán)過程的任何階段均不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。這一結(jié)論對(duì)于分別使用氧化鋁墊片和鋼墊片進(jìn)行切削試驗(yàn)的三種硬質(zhì)合金牌號(hào)刀片是成立的，但可以斷定，所用墊片類型對(duì)此并無實(shí)際影響。
通過切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在切削過程中，熱應(yīng)力與刀具的機(jī)械負(fù)荷同時(shí)存在，從而有可能引起刀具的壓縮塑性應(yīng)變。這種塑性變形可能發(fā)生在刀具一切屑接觸區(qū)中溫度最高的部位，而該部位位于切削刃背面的某一范圍內(nèi)。鑒于裂紋的產(chǎn)生意味著存在拉應(yīng)力，據(jù)此可推測這些拉應(yīng)力是在切削循環(huán)的冷卻階段由外界彈性物體對(duì)塑性變形區(qū)施加作用力所引起的。這一分析結(jié)論可根據(jù)裂紋起始于切削刃背面某一范圍的事實(shí)得到驗(yàn)證。
根據(jù)觀測結(jié)果，刀具的破損形式有兩種：①切削刃崩刃；②介于兩個(gè)裂紋之間的前刀面發(fā)生局部剝落。在斷續(xù)切削過程中，刀具發(fā)生崩刃的原因尚不十分清楚，但可能與熱應(yīng)力并無關(guān)系，因?yàn)樵诘退偾邢鲿r(shí)也會(huì)發(fā)生崩刃現(xiàn)象。但是，沿垂直于切削刃方向產(chǎn)生的裂紋可能與熱應(yīng)力有關(guān)二陶瓷材料會(huì)發(fā)生熱破裂是眾所周知的事實(shí)，但由于各種類型的裂紋交錯(cuò)存在，因此熱裂紋似乎并不是陶瓷刀具破損的直接原因。然而對(duì)于硬質(zhì)合金刀具，當(dāng)介于兩條裂紋之間的那部分前刀面發(fā)生剝落時(shí)，熱裂紋往往會(huì)直接引起刀具破損。

用刀具—工件熱電偶測量溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)切削過程中，最大和最小循環(huán)溫度保持不變，且不受所用墊片類型的影響。因此，在切削過程中產(chǎn)生的壓縮熱應(yīng)力值可通過刀片的體積溫度加以控制。在切削開始前對(duì)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行預(yù)熱處理可降低較高的起始?jí)簯?yīng)力，從而有利于提高刀具的使用性能。