PCD刀具高速干式切削铜合金的磨损研究

杨海军， 董 海， 王 磊， 朱袁琦

(大连理工大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116024)

PCD刀具具有硬度高、热膨胀系数低、导热性及耐磨性好等优良特性，可在高速切削中获得较高的加工精度和加工效率[1]，在航空航天、汽车、复合材料等切削加工领域得到了广泛的应用。干式切削技术是目前新兴的一种绿色制造技术，可完全不使用切削液而进行切削加工，从根本上消除了传统切削污染环境、危害工人健康所带来的一系列负面影响。因此，将PCD刀具的高速切削技术和干式切削技术有机融合，结合各自优点，发展出一种新的真正可持续发展的绿色高效切削技术，将会是未来切削加工技术发展的一个重要方向[2]。

目前，已有一些国内外学者对PCD刀具的绿色切削开展了相关的研究工作。 SALES等[3]研究了PCD刀具在液氮、液氮和微量润滑油混合以及切削油3种条件下, 精加工Ti6Al4V合金的磨损形貌和磨损机理。PATTNAIK等[4]进行了PCD刀具、硬质合金刀具以及TiN和Al2O3涂层硬质合金刀具干式切削铝合金的磨损研究，结果表明PCD刀具能够获得更好的表面质量及较小的刀具磨损量。SU等[5]进行了微沟槽PCD刀具和普通PCD刀具干式切削Ti6Al4V的切削性能对比分析，得出具有微沟槽结构的PCD刀具能有效降低切削力和刀屑摩擦力。然而, 目前针对PCD刀具干式切削应用于高速加工领域的研究还较少。因此，深入研究PCD刀具在高速干式切削下的磨损机理，对于探讨PCD刀具在绿色切削技术的应用具有重要的指导意义。

我们使用PCD刀具进行了锡青铜合金材料高速干式切削试验。借助扫描电镜 (SEM)和X射线能谱 (EDS) 等手段观察PCD刀具的磨损形态及分析磨损区域表面的化学成分，并以此研究刀具的磨损机理，为进一步减小刀具磨损、优化PCD刀具几何参数，提高加工精度和加工质量提供参考。

1 试验条件及方案

1.1 试验装置及材料

试验用机床为西铁城GN-3200W型高精度CNC加工中心，主轴转速0～8000 r/min。试验材料是牌号为SAE67N的锡铅青铜合金，规格为φ13 mm×8 mm，具体化学成分及力学性能分别如表1和表2所示。

表1 锡铅青铜合金SAE67N的化学成分

表2 锡铅青铜合金SAE67N的力学性能

选用英国Element Six公司牌号为CTB010 的PCD刀具进行车削试验。其参数为：前角γ0=6°，后角α0=8°，刃倾角λs=5°，刀尖圆弧半径rε=0.2 mm，主偏角κr=45°，副偏角κr′=95°。

1.2 试验方案

用所选的PCD刀具进行锡青铜合金工件的高速干式切削加工，刀具数量100把，每把刀具加工的工件数量为3000件，切削参数如表3所示。最后，用体视显微镜和JSM-6360型扫描电镜对刀具磨损形貌进行观察，X射线能谱仪对刀具磨损区域化学成分进行分析。

表3 切削参数

2 试验结果及分析

通过体视显微镜对加工后的100把刀具放大50倍进行观察，统计刀具的磨损形式，其结果如图1所示。图1的数据表明：刀具的主要磨损形式为后刀面磨损及前刀面磨损，且后刀面磨损最大，同时还伴随着脆性破损。

图1 刀具磨损形式比例图

2.1 前刀面磨损

图2所示为试验前PCD刀具的前刀面SEM图，图3为加工后PCD刀具前刀面磨损形貌SEM图。

图2 试验前PCD刀具前刀面SEM图

由图3a、图3b可以看出：加工后的刀具前刀面磨损形态基本相似，都没有出现典型的月牙洼磨损，而是出现不同程度的片状剥落现象，但剥落深度总体较小；剥落区域则从切削刃沿切屑流出的方向扩展，深度逐渐增加；且随着切屑与前刀面分离，剥落深度又逐渐减小。另外，从图3中还可观察到：刀具已经出现了轻微的崩刃现象，且磨损区域还存在着刀屑黏结物(如图3b箭头所示)。

(a)

(b)

2.2 后刀面磨损

后刀面磨损是高速干式切削铜合金材料的主要磨损形式，图4为试验前PCD刀具的后刀面SEM图，图5为加工后后刀面磨损SEM图。

由图5可知:后刀面磨损区域为后刀面靠近主切削刃处，但磨损形态并不同于普通车削会磨出一个棱面的形式[6]，而是呈现出轻微的破损形态。这主要是因为在高速干式切削条件下，缺乏冷却和润滑作用，后刀面与工件已加工表面相互接触和摩擦，产生的热量无法及时排出，导致后刀面的温度升高从而加剧了刀具的磨损。另外，如图5中箭头所示，在磨损的区域也出现了刀具与工件的黏结现象。

图4 试验前PCD刀具后刀面SEM图

v=245 m/min；ap=0.04 mm；f=0.04 mm/r

2.3 脆性破损

在PCD高速干式切削铜合金的过程中，刀具除了正常磨损外，还伴随有脆性破损。主要是因为在高速干式切削过程中，PCD刀具受到较大的切削应力和热应力的冲击，当超过刀具的应力强度时则出现脆性破损。图6为PCD刀具的破损形貌SEM图。

(1)崩刃：在切削刃局部产生较大的缺口。主要是干式切削下，产生的较大的切削应力超过刀刃的强度造成的，如图6a所示。

(2)碎断：切削刃整体断裂，刀具破损较为严重。在切削过程中，受到机械和热冲击时，由于刀刃强度不足极易产生碎断，如图6b所示。

(3)剥落：干式切削条件下，机械应力和热应力冲击刀具产生裂纹后, 粘在刀具上的切屑(如图6c箭头所示)在切入和切出时，容易使刀具产生剥落现象，如图6c所示。

(a)崩刃：v=245 m/min；ap=0.04 mm；f=0.04 mm/r

(b)碎断：v=245 m/min；ap=0.04 mm；f=0.04 mm/r

(c)剥落：v=245 m/min；ap=0.04 mm；f=0.04 mm/r

PCD刀具产生这些脆性破损的原因，一方面是由于工件材料本身的物理、力学性能分布不规则和不均匀，导致在干式切削时难免存在断续切削和切削振动，会对刀具造成强烈的机械和热冲击；冲击载荷产生的应力超过了刀具的强度，再加上PCD刀具的硬度高、脆性大、焊接不均匀等, 很容易引起刀具破损, 特别是在切削早期阶段，破损时有发生。另一方面是由于干式切削条件下，缺乏冷却和润滑作用，加剧了PCD刀具的磨损。随着刀具的不断磨损和微崩刃，同时伴随着扩散、氧化等化学变化，不断削弱刀具的强度，使得刀具在持续地切削过程中最终出现了脆性破损。

根据以上试验结果和分析，对于所选用的PCD刀具，需从材料以及切削参数方面进行改良和优化设计。如采用更好性能的金刚石复合片、更小的刀具偏角和前角等，以增加刀尖强度和刀具的散热面积，从而降低刀具的磨损程度，提高刀具的寿命，保证加工效率。

2.4 磨损机理分析

刀具高速切削金属材料时，切削温度可高达800 ℃以上[7]，而在干式条件下，温度会更高。在此温度下，热和化学反应等多种因素就会共同作用从而导致刀具的磨损。图7为刀具前刀面磨损SEM图。为比较不同位置的磨损差异，在前刀面上选取如图7所示的3个测试点进行能谱分析。能谱半定量分析结果如表4所示。

图7 前刀面磨损形貌图

表4 能谱半定量分析结果

(1)氧化磨损

对表4的半定量数据进行分析，可以看到：在刀具磨损区域内，1、2点相对于3点O元素含量较高，C、Co含量均有所降低，由此表明刀具磨损区域发生了高温下的氧化磨损。在干式切削条件下，切削温度较高，金刚石中的C就容易与空气中的氧气发生化学反应，产生磨损。同时，在切削温度上升过程中，PCD刀具中的黏结剂Co也会与氧发生反应生成Co3O4和CoO。由于氧化物硬度较低，极易被切屑带走，从而造成刀具黏结强度降低，破坏了刀具的质量，造成刀具的磨损。且位于刀尖区域的1点的O元素含量相对于2点的较高，C、Co含量相对较低，这是由于刀尖圆弧部分是与工件最早接触的区域，切削时温度最高，刀具的氧化反应发生得更为剧烈。

(2)扩散磨损

对表4中的数据分析还可发现：前刀面缺口处2点与1点、3点比，工件材料中存在较多的Cu元素，这些Cu元素刀具本身没有，都是铜合金扩散而来，这就证实了在切削刃处发生了扩散磨损。由于扩散磨损的主要影响因素为切削温度和刀具材料的化学成分，且切削温度越高，扩散程度越严重。因此，PCD在高速干式切削铜合金时，极易发生扩散磨损。这主要是因为高温条件下，切削刀具表面和被加工材料新鲜表面接触时，分子活动较为剧烈，造成了元素之间的相互扩散、替换，从而降低了刀具的强度和硬度，改变了刀具的切削性能，造成刀具的磨损。

3 结论

(1)PCD刀具在高速干式切削锡青铜合金材料过程中，切削温度较高，刀具磨损形式主要表现为前刀面的片状剥落和后刀面的轻微破损；同时还伴随着机械应力和热应力冲击下的更为严重的脆性破损，脆性破损主要表现为崩刃、切削刃整体碎断以及前后刀面的大面积剥落。

(2)刀具磨损的主要原因是切削高温引起的氧化磨损和扩散磨损。氧化磨损主要由金刚石刀具中的C和Co在高温下发生氧化反应而形成；扩散磨损主要由工件材料和刀具材料元素间的相互扩散所造成。

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[3] SALES W F, SCHOOP J, JAWAHIR I S. Tribological behavior of PCD tools during superfinishing turning of the Ti6Al4V alloy using cryogenic, hybrid and flood as lubri-coolant environments [J]. Tribology International, 2017, 14: 109-120.

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