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摘要：在經過改造的正交車銑機床上，采用高強度鋼工件材料，進行了車銑刀具磨損強度實驗，分析了車銑切削用量對刀具磨損強度的影響。研究表明，在影響車銑刀具磨損的切削用量中，切削速度對車銑刀具的磨損強度影響最大；以車銑刀具的磨損實驗為基礎，以切削速度為變量，建立了車銑高強度鋼的刀具磨損強度模型。

0、前言

車銑技術[1]是為滿足高生產率和高質量這兩大目標而發展起來的一種先進制造技術。因此，車銑工藝技術成為當今世界，特別是工業發達國家的研究熱點。采用車銑代替車削、銑削，可以更有效地采用現有刀具材料或單純車削不能采用的刀具材料來加工各種工件材料，以及實現對各類回轉體及薄壁類零件的加工。它具有加工效率高、加工精度高、刀具壽命長、切削平穩、不存在斷屑問題等優點，可以完成通常單獨用車或銑難以實現的加工。金屬切削刀具的磨損，直接影響刀具壽命的長短、生產成本、生產效率的高低和加工質量的好壞等；切削過程中的各種物理現象，如切削力、切削熱、系統振動等，也大多與之有密切關系[2]，因此，研究車銑的刀具磨損對于豐富車銑理論與實踐應用，均具有十分重要的意義。

1、車銑技術及特點

國外車銑技術研究主要集中在德國、美國和日本等工業發達國家，研究領域涉及車銑原理、車銑運動學及動力學、車銑表面質量和刀具磨損等。車銑不是單純的將車和銑兩種加工手段合并到一臺機床上，而是利用車銑合成運動完成各類表面的加工[3]。車銑按銑刀與工件的相對位置可分為軸向車銑、正交車銑和一般位置車銑。

正交車銑由于銑刀與工件的旋轉軸線相互垂直，在加工外圓表面時由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進給，因此它是加工大型回轉體和長軸類零件的一種高效方法。如圖1所示[3]，正交車銑的切削用量包括切削速度、銑刀沿著軸向的進給速度、軸向進給量、切向進給量（銑刀每齒進給量）和切削深度等

2、車銑刀具磨損實驗

2.1實驗目的和方法

車銑刀具磨損實驗的目的是采用單因素實驗方法[4]，來研究車銑切削用量的變化對刀具的磨損機理以及磨損強度的影響規律，并對實驗結果加以理論分析。車銑刀具磨損表面形貌和磨損量由日本SSX-550掃描電子顯微鏡和IM小型工具顯微鏡觀察分析和測量。

2.2實驗設備

車銑刀具磨損的實驗是在經過改造的正交車銑機床上進行的，如圖2所示。

2.3實驗條件

工件材料高強度鋼

實驗刀具TiN涂層SC30硬質合金(相當于國際標準P20~P40)端銑刀

銑削方式正交車銑，逆銑

冷卻方式乳化液

3、實驗結果分析

實驗研究結果表明，車銑刀具磨損過程是很復雜的。不同的切削條件下，車銑刀具主要磨損形態也不同，各種磨損形態的磨損量在不同切削條件下所占的比例也不同；各種磨損形態既單獨作用，又相互影響。在影響車銑刀具磨損的切削用量中，切削速度對車銑刀具的磨損過程、磨損形態及磨損強度等的影響最大。

當切削速度較低時，當連續不斷的切屑流經刀具前刀面時，在刀具與切屑摩擦面的實際接觸面積上，切削溫度可以達到900以上，刀具與工件材料接觸到原子間距離時產生粘結，發生冷焊現象。當切屑沿刀具前刀面流出時，迫使較軟的切屑底層內部發生很大的剪切變形。兩摩擦表面的粘結點因刀具與工件的相對運動，晶粒或晶粒群受剪或受拉而被對方帶走造成粘結磨損，如圖3所示。切削時，接觸區的壓力很高，使實際接觸面積增加，切屑和工件材料沿著刀具前、后刀面不斷移動，破壞了刀具表面的氧化層和其它吸附膜，特別是剛從工件材料內部切削出的新鮮表面間形成強烈粘結。

當車銑切削速度較高時，其磨損機理主要表現為疲勞－剝落磨損和擴散磨損。由于車銑是一種斷續切削，銑刀承受切屑的周期性擊打、切削加熱和空切冷卻，使刀具表面急劇變熱和變冷，刀具表面受到反復的熱應力、摩擦應力和接觸應力作用，從而在距離刀具表層一定深度下的刀具材料的內部，產生了接觸疲勞裂紋源。而后在繼續經過多次反復的接觸作用后，接觸疲勞裂紋源向刀具表層方向迅速擴張，從而，在刀具表層上形成了網狀的裂紋，刀具表層因裂紋的擴展而造成龜裂，在切屑不斷地擊打下導致刀具表層材料一層層地被剝落。

此外，在刀具材料的原始晶粒內部，還是晶界處，都存在著不均勻的內應力，因此難于存在有顯微裂紋。許多鄰近的微裂紋，在切削力和摩擦力等外力的作用下不斷延伸、合并，形成宏觀裂紋，在外力的進一步作用下則產生剝落。采用掃描電子顯微鏡和電子探針顯微分析儀檢查刀具的前刀面、后刀面以及副后刀面微區的化學成分，說明隨著切削速度的不斷地提高，車銑過程中切屑、工件與刀具的接觸，產生的切削溫度足夠高時，相互間有親和作用的元素原子從濃度高處向濃度低處遷移，雙方的化學元素在固態下相互擴散。如圖4、5所示。

在所研究的切削速度范圍內，當切削速度較低時，以粘結磨損為主，在此基礎上也伴隨有疲勞-剝落磨損和磨料磨損等；而在較高的切削速度下以疲勞-剝落磨損和擴散磨損為主，并伴隨有粘結磨損和磨料磨損等。以車銑刀具的磨損試驗為基礎，以切削速度為變量，建立了正交車銑高強度鋼的車銑刀具的磨損強度模型，如圖6所示。切削速度的增加，使切削溫度升高，刀具與切屑、工件的接觸區里的材料變軟，微小的粘結區的數量增加，使粘結磨損和疲勞-剝落磨損強度增加。但是隨著切削速度的進一步增加，被加工材料比刀具材料軟化得更厲害，則粘結磨損和疲勞-剝落磨損的強度將會降低。這時切削溫度繼續增高，刀具與切屑、工件元素之間的相互擴散速度加大，因此，擴散磨損強度增大。在不同的切削速度下，各種磨損機理相互作用、相互影響，加劇了車銑刀具的磨損強度。

4、結論

（1）在較低的切削速度下車銑高強度鋼的刀具磨損機理主要以粘結磨損為主，在此基礎上也伴隨有疲勞-剝落磨損和磨料磨損等；而在較高的切削速度下以疲勞-剝落磨損和擴散磨損為主，并伴隨有粘結磨損和磨料磨損等，各種磨損機理在不同的切削條件相互影響、相互作用。

（2）不同切削條件下，車銑刀具的主要磨損機理也不同，切削速度對車銑刀具的磨損過程、磨損形態及磨損強度等影響最大。在所研究的切削速度范圍內，磨料磨損、粘結磨損和疲勞-剝落磨損幾乎貫穿始終，而擴散磨損在切削速度提高到一定值后，才占有主導地位。