低溫微量潤滑高速加工300M鋼刀具磨損研究

張慧萍 王尊晶 劉國梁

摘?要：針對難加工材料300M鋼的加工性能差、刀具磨損嚴重等問題，進行了干式與低溫微量潤滑兩種加工條件下的高速銑削300M鋼刀具磨損試驗。采用超景深顯微鏡觀察了刀具的磨損形貌，通過電子掃描顯微鏡（SEM）分析了刀具的磨損機理。結果表明：PVD涂層保護刀具的效果好于無涂層刀具和CVD涂層刀具;冷風溫度為-45℃、空氣壓力為0.7MPa、油量為40mL/h時，低溫微量潤滑技術的作用效果最佳;兼顧加工質量與加工效率時，銑削速度定為400m/min為宜;相比于干式切削，低溫微量潤滑技術能夠有效降低刀片磨粒磨損、刀片表面的粘結磨損、后刀面邊界處的氧化磨損，以及輕度的擴散磨損。

關鍵詞：300M鋼;低溫微量潤滑;高速銑削;刀具磨損

DOI：10.15938/j.jhust.2020.03.012

中圖分類號：?TG501

文獻標志碼：?A

文章編號：?1007-2683（2020）03-0075-08

Abstract：For?the?problem?of?poor?processing?performance?and?severe?tool?wear?of?hard-to-manufactured?material?300M?steel，?high-speed?milling?300M?steel?tool?wear?test?of?dry?and?CMQL?was?carried?out.?The?wear?morphology?of?the?tool?was?observed?with?an?ultra-deep-depth?microscope，?and?the?wear?mechanism?of?the?tool?was?analyzed?with?a?scanning?electron?microscope?（SEM）.?The?results?show?that?PVD?coatings?protect?the?tool?better?than?uncoated?and?CVD?coated?tools;?When?the?cold?air?temperature?is?-45℃，?the?air?pressure?is?0.7MPa，?and?the?oil?volume?is?40mL/h，?the?effect?of?CMQL?technology?is?the?best;?When?considering?the?processing?quality?and?processing?efficiency，?the?milling?speed?is?set?to?400m/min;?Compared?to?dry?cutting，?CMQL?technology?can?effectively?reduce?abrasive?wear?of?the?blade，?bond?wear?on?the?blade?surface，?oxidative?wear?at?the?flank?boundary，?and?mild?diffusion?wear.

Keywords：300M?steel;?CMQL;?high-speed?milling;?tool?wear

0?引?言

300M鋼是在AISI?4340鋼的基礎上添加了少量的Si、V等元素，因此力學性能更好，是現代制造業中最好的飛機起落架用鋼[1]。

300M鋼因其強度高、導熱系數小等因素，導致切削加工300M鋼時切削力大，切削溫度高，刀具、工件燒傷現象嚴重，刀具易崩刃、壽命較短等問題，嚴重制約著生產效率和質量。傳統切削中切削液雖然能有效的降低切削熱，但對環境和操作人員的健康都會造成較大的威脅[2-3]。由于干式和傳統加工300M鋼的效果均不理想，因此出現了氣流冷卻、微量潤滑等輔助技術。本文所采用的低溫微量潤滑（簡稱CMQL）技術，結合了低溫冷風和微量潤滑各自的優點，彌補了單獨使用的不足，最終達到了延緩刀具磨損速率，降低表面粗糙度等工藝要求[4-5]。

在切削超高強度鋼的刀具磨損和CMQL技術的應用方面，學者們進行了相關研究。哈爾濱理工大學的張校雷進行了高速銑削300M鋼的刀具磨損試驗，發現硬質合金涂層刀具的磨損過程依次經過涂層脫落，硬質合金基體材料磨損和切削刃崩刃三個階段[6]。山東理工大學的房友飛選用涂層刀具車削300M鋼時發現刀具主要失效原因是涂層剝落、微裂紋與崩刃[7]。湖南科技大學的吳順興通過陶瓷刀具銑削超高強度鋼得出，刀具磨損機理為磨粒磨損與粘結磨損，同時伴有擴散磨損和氧化磨損[8]。上海交通大學的An?Q.等對超高強度鋼進行了銑削試驗研究，總結出刀具失效的主要原因是涂層剝落，并發生了嚴重的氧化磨損和粘著磨損[9]。澳大利亞科廷大學的Pramanik等發現切削鈦合金時刀具磨損主要經過磨損、擴散-溶解、熱裂紋和塑性變形幾個過程[10]。華南理工大學的葉邦彥等加工304不銹鋼得出結論：相比于干、濕式切削，CMQL技術中的高壓冷風可以將油霧更多的帶到刀具-工件的摩擦區域，加工效果更理想[11]。西安石油大學的李吉林對CMQL技術的霧化原理及霧化場的形成進行了有限元模擬，分析了微量潤滑機理[12]。江蘇科技大學的Su?Yu進行了五種冷卻潤滑條件（干式、壓縮空氣、微量潤滑、冷風、CMQL）的鈦合金車削試驗，發現CMQL降低切削溫度的效果最佳，切削速度越大，CMQL的效果越明顯[13]。土耳其阿菲永科賈泰佩大學的Ucun等采用AlCrN涂層刀具切削Inconel?718合金發現，低溫導致了刀具磨損增加，但降低了表面粗糙度，微量潤滑能夠增加刀具壽命[14]。西班牙巴斯克大學的Pereira等進行了CMQL與干式冷卻的試驗對比，結果表明CMQL能夠延長50%的刀具壽命并提高了30%的切削速度[15]。綜上所述，刀具磨損過快是制約高效切削的重要原因，且CMQL技術尚未成熟，對該條件下的刀具磨損分析有待深入研究。

本文進行了干式與CMQL兩種條件下的高速銑削試驗，對刀具涂層材料和CMQL工藝參數進行了優選，揭示了刀具磨損機理，為CMQL條件下的高速銑削300M?鋼提供了依據和參考。

1?試驗條件及方案

1.1?試驗條件

工件材料：試驗選用熱處理后的300M鋼方料（工件尺寸175mm×48mm×30mm）。主要力學性能：抗拉強度1955MPa，屈服強度1650MPa，伸長率13%，硬度HRC55，其化學成分見表1。

刀具材料：試驗選用SANDVIK型號為490-080Q27-08M的可轉位面銑刀盤，最多可安裝8個方形刀片，銑削直徑80mm，最大切深5.5mm，如圖1（a）所示。試驗的刀片是SANDVIK的無涂層、物理涂層（PVD）和化學涂層（CVD）三種硬質合金刀片，型號分別為490R-08T308M-PL?H13A，490R-08T308M-PL?1130，490R-08T308M-PL?4230，如圖1的（b）、（c）、（d）所示，其中PVD涂層材料為AlTiCrN，CVD材料為?Ti（C，N）+Al2O3+TiN的復合涂層。刀片的參數如下：刀片長度8.5mm，刀片厚度3.3mm，后角11°，刀尖圓弧半徑0.8mm。

1.2?試驗方案

進行干式與CMQL切削的對比磨損試驗，完成300M鋼的刀具涂層材料及CMQL工藝參數的優選，銑削方式均為單齒順銑加工。CMQL工藝參數的選取范圍：冷風溫度-35℃?～?-55℃，空氣壓力0.4～0.8MPa，油量20mL/h～60mL/h。利用優選的試驗結果進行以銑削速度為單一變量的刀具磨損試驗，具體參數如下：銑削速度vc=250～475m/min;每齒進給量fz=0.15mm/r;銑削深度ap=0.4mm;銑削寬度ae=8mm。試驗結束后采用超景深顯微鏡、掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）對磨損的刀片進行觀察分析。

2?試驗結果與分析

2.1?刀具涂層材料優選

金屬加工過程中，涂層可以避免刀具基體材料與工件的直接接觸，對基體具有良好的保護作用，有效的降低刀具磨損速率，延長刀具失效時間，而且刀具磨損直接影響著加工表面的精度，所以考慮涂層的材料是必要的。圖2為干式加工時三種刀片的前后刀面磨損狀態，對比三者的前后刀面磨損狀態可知，無涂層銑刀片崩刃現象嚴重，不具有繼續加工的能力，也無法測量其后刀片磨損量（VB值），磨損狀態如圖2（a）所示。比較圖2（b）和圖2（c）的磨損狀態與VB值可知，CVD涂層刀片的前刀面輕微崩刃，后刀面崩刃較嚴重，涂層剝落現象較為嚴重，VB值較高，基體的裸露面積較大，說明CVD涂層強度不足，這是由于銑削加工時產生的高溫會增大鋼體的回彈性，在銑削這種斷續加工狀態下，對涂層的強度和韌性的要求更高，而PVD涂層刀片僅僅出現了輕微的月牙洼磨損，與基體的結合力高于CVD涂層，因此PVD涂層是綜合性能較為優良的材質。

2.2?CMQL工藝參數優選

圖3為干式與CMQL兩種切削條件的刀具磨損曲線，其中CMQL工藝參數取值：冷風溫度為-45℃、空氣壓力為0.5MPa、油量為30mL/h，切削參數為vc=400m/min，fz=0.15mm/r，ap=0.4mm，ae=8mm，切削長度L=1050mm。根據測得的后刀面磨損量VB值可知，CMQL技術的冷卻潤滑效果較好，能夠有效的降低刀具磨損量。

CMQL技術的工藝參數中，冷風溫度、空氣壓力和油量供給對刀具的磨損趨勢均有顯著影響，圖4（a）為冷風溫度對刀具后刀面磨損量VB值的影響，由曲線趨勢可知，當冷風溫度較高時，刀具在斷續的高強度沖擊作用下無法保持最佳的冷卻效果，相反冷風溫度過低，則會減弱潤滑油的潤滑性能，同時高溫的刀具在冷氣作用下極容易產生裂紋，基體強度減弱，故磨損量增加?？諝鈮毫σ嗍怯绊慍MQL技術的重要因素，作用效果如圖4（b）所示，空氣壓力增加時，微量的潤滑油霧可以被更多的帶入到加工區域，油量供給不會被高速旋轉的刀具阻斷，潤滑區域更廣。當空氣壓力增加到0.8MPa時，潤滑油膜無法繼續附著在刀具與工件之間的縫隙處，故刀具磨損量增加。根據圖4（c）可知，油量供給量并不是越多越好，存在一個潤滑效果最佳的中間值。圖5為工件與刀具的接觸縫隙示意圖，當油量小或油位不超過A層時，油膜很薄，無法自由流動，切削狀態為干摩擦;供給的油量厚度介于A與C層之間時，此時接觸摩擦只發生在峰頂處，摩擦系數穩定，即使油膜被破壞，B層的油量會借助其本身的自由能迅速補充到峰頂處，使之恢復到邊界潤滑的恒定狀態，進而達到最佳的潤滑效果。油量過多超過C層，即刀具-工件表面的接觸點，摩擦系數就無法保持穩態。

綜上所述，CMQL較為理想的工藝參數如下：冷風溫度-45℃，空氣壓力0.7MPa，油量40mL/h。

2.3?不同銑削速度下的刀具磨損特性

根據大量文獻可知，銑削速度對刀具磨損的影響最為顯著，所以針對工件材料特性，著重考慮銑削速度的選取范圍，保證試驗可行性的同時也滿足高速切削的要求。采用優選的CMQL工藝參數，以銑削速度為單一變量的刀具磨損試驗結果如圖6所示，通過走勢圖的分析，vc=250m/min時的刀具磨損量較小，當切削速度較低時，具有相當高的刀具壽命，但相對低的切削速度使其加工效率較低，故在實際加工中應適當提高銑削速度。當銑削速度過高時，由于刀具參與高頻率的接觸摩擦，強度與疲勞韌性迅速降低，刀具表面受到拉應力和熱應力的作用加大，致使刀具涂層性能降低，直接進入劇烈磨損階段，磨損量急劇增加，嚴重時會發生破損、崩刃等現象，降低刀具壽命，如圖7所示。一旦發生崩刃或破損，刀具就會迅速報廢，同時影響加工質量。兼顧加工效率與加工質量，vc取值為400m/min較為適宜。

如圖8所示，對比前刀面磨損形貌可以發現，不同速度下均發生了月牙洼磨損，相比與干式切削，CMQL技術能夠有效的減弱月牙洼磨損現象，保證切削刃的強度，月牙洼磨損區域隨銑削速度增加而增大。

2.4?磨損機理分析

2.4.1?磨粒磨損

對磨損的刀片進行SEM形貌觀察，發現其表面不平整，存在凹坑和溝槽，屬于磨粒磨損表征。這是由于加工時的高溫與外界低溫頻繁交替，導致刀具表面硬度降低，同時300M鋼中的Mo2C，V2C，SiC等較硬的化合物與被軟化的刀具表面不斷相互作用、擠壓摩擦最終產生劃痕。比較圖9（a）和（b）發現：使用CMQL技術能夠減少刀具表面的凹坑與劃痕，有效改善了磨粒磨損狀況，對刀具起到了一定的保護作用。

2.4.2?氧化磨損

傳統銑削300M鋼時，刀具—工件摩擦區域會與周圍的介質（如空氣中的氧，切削液中的微量元素）發生化學作用，刀具材料中C、W、Co等元素極容易發生氧化反應并生成新的化合物WO3、CO等，當化合物被帶走時，刀具再次發生氧化反應，在切削過程中，伴隨著這種剝落-再生-剝落的過程，加劇了刀具的氧化磨損，通過EDS分析可知刀具表層大量氧原子的存在可以側面反映氧化物的含量，如圖10（a）和10（b）所示，A點處氧原子百分數為26.87%，后刀面氧化情況非常嚴重且存在燒傷現象，此時刀具材料內部的元素大量流失，強度大大降低。采用CMQL技術，可以有效的減弱后刀面氧化程度，從而延長刀具壽命，通過對圖10（c）中后刀面邊緣的1點和遠離切削刃的2點進行EDS能譜分析，結果分別如圖10（d）和（e）所示，兩點的氧原子百分數分別為1.79%和14.39%，表明后刀面發生了不同程度的氧化反應，2點氧原子含量高于1點，說明遠離切削刃的磨損邊界處氧化反應程度更為嚴重。

2.4.3?粘結磨損

涂層硬質合金刀具在銑削超高強度鋼時容易在高溫條件下與材料產生“冷焊”現象，此時摩擦表面的原子間發生相互吸附作用產生粘結物，粘結物隨切削時間增加而逐漸增多，當粘結物積累到一定厚度時，摩擦表面的粘結點在強烈的沖擊作用下，就會撕裂并連同刀具材料一起脫落下來，損壞刀具表面，造成刀具的粘結磨損。

干式和CMQL條件銑削后的刀具磨損SEM形貌如圖11所示，可以看出干式銑削的粘結物明顯多于CMQL銑削，對各自表面進行能譜分析得知，粘結物中的元素種類大體相同，同時出現了存在于300M鋼中Si、Mo、Cr、Mn、Fe等元素，同種元素含量如表2所示，說明粘結物為工件材料，刀具發生了粘結，對比每種元素含量可知，CMQL技術對粘結磨損的抑制作用比較顯著。

2.4.4?擴散磨損

對CMQL條件下的刀具后刀面磨損區域進行線切割（沿圖12中線段AB處垂直剖開），并對試樣進行腐蝕、磨平、拋光、清洗處理，EDS線掃描的結果如圖13所示，可以發現在刀具內部檢測到了存在于300M鋼中的Si、Cr、Fe、Ni等元素，且含量隨著掃描深度增加而逐漸減小，說明刀具發生了擴散磨損且程度較輕。W和Co元素含量逐漸增多則是由于刀具表面的溫度極高，提高了化學元素的活性，加速了Co元素向外擴散流失的速度，而Co又是WC顆粒的粘接相，Co元素流失后WC顆粒就會不斷被分解、流失，造成刀具基體磨損，弱化刀具強度，也是造成刀具崩刃現象的主要原因。

3?結?論

1）通過對比無涂層、CVD涂層和PVD涂層硬質合金刀片在切削過程中的磨損狀態，得出PVD涂層是綜合性能較為優良的材質。

2）建立冷風溫度、空氣壓力、油量供給對刀具后刀面磨損量VB值的影響曲線圖，得到CMQL技術的最佳工藝參數。

3）根據刀具磨損試驗，銑削速度vc為400m/min較為適宜。銑削速度為475m/min時，刀具崩刃現象嚴重。

4）完成了CMQL和干式加工對比分析，得出CMQL技術能夠有效降低刀具的磨損速率，為CMQL技術的推廣應用提供及技術保障。

參?考?文?獻：

[1]?張慧萍，?王崇勛，?杜煦.?飛機起落架用300M超高強鋼發展及研究現狀[J].?哈爾濱理工大學學報，?2011，?16（6）：73.

ZHANG?Huiping，WANG?Congxun.?Develop-ment?and?Research?Status?of?300M?Ultra?High?Strength?Steelf?or?Aircraft?Landing?Gear[J].?Journal?of?Harbin?University?of?Science?and?Technology，2011（6）：76.

[2]?李婷.?低溫冷風切削機理的分析與研究[J].?環球市場信息導報，?2014（26）：122.

LI?Ting.?Analysis?and?Research?on?the?Mechanism?of?Low?Temperature?Cold?Air?Cutting[J].?Global?Market?Information?Guide，?2014（26）：122.

[3]?李偉興.?低溫微量潤滑技術在內冷刀具應用研究[J].?裝備制造技術，?2014（5）：107.

LI?Weixing.?Cryogenic?MQL?Technology?Researchand?Application?of?Cold?Cutting?Tool?[J].?Equipment?Manufacturing?Technology，?2014（5）：107.

[4]?袁松梅，劉偉東，?嚴魯濤.?低溫微量潤滑技術銑削高強鋼的試驗研究[J].?航空制造技術，?2011（5）：35.YUAN?Songmei，?LI?Weidong，?YAN?Lutao.?Experimental?Research?on?Milling?High-strength?Steel?with?Lowtemperature?Micro-lubrication?Technology[J].?Aeronautical?Manufacturing?Technology，?2011（5）：35.

[5]?張成良.?CMQL油-氣流場分析及內冷式刀具切削性能評價[D].?濟南：山東大學，?2016.

[6]?張校雷.?40CrNi2Si2MoVA超高強度鋼高速銑削機理研究[D].?哈爾濱：哈爾濱理工大學，?2016.

[7]?房友飛，牛宗偉，鄭光明，等.?高速車削300M高強度鋼涂層刀具失效機理研究[J].?工具技術，?2016，?50（7）：20.

FANG?Youfei，?NIU?Zongwei，?ZHEN?Guangming，?et?al.?Research?on?Failure?Mechanism?of?High-speed?Turning?300M?High?Strength?Steel?Coated?Tools?[J].?Tool?Engineering，?2016，?50（7）：20.

[8]?吳順興.?金屬陶瓷刀具高速銑削超高強度鋼銑削力及刀具磨損研究[D].?湘潭：湖南科技大學，?2013.

[9]?AN?Q，?WANG?C，?XU?J，?et?al.?Experimental?Investigation?on?Hard?Milling?of?High?Strength?Steel?Using?PVD-AlTiN?Coated?Cemented?Carbide?Tool[J].?International?Journal?of?Refractory?Metals?&?Hard?Materials，?2014，?43（3）：94.

[10]?PRAMANIK?A，?ISLAM?M?N，?BASAK?A，?et?al.?Machining?and?Tool?Wear?Mechanisms?During?Machining?Titanium?Alloys[J].?Advanced?Materials?Research，?2013，?651：338.

[11]?賀愛東，葉邦彥，王子媛.?低溫微量潤滑切削304不銹鋼的實驗研究[J].?潤滑與密封，?2015，?40（6）：?100.

HE?Aidong，?YE?Bangyan，?WANG?Ziyuan.?Experimental?Study?on?Cutting?304?Stainless?Steel?with?Lowtemperature?Trace?Lubrication[J].?Lubrication?Engineering，?2015，?40（6）：?100.

[12]?李吉林.?低溫冷風微量潤滑技術在鈦合金車削加工中的應用研究[D].?西安：西安石油大學，?2014.

[13]?SU?Yu，?HE?Ning，?LI?Liang.?Cooling?and?Lubricating?Performance?of?Cryogenic?Minimum?Quantity?Lubrication?Method?in?High?Speed?Turning[J].?Lubrication?Engineering，?2010（9）：52.

[14]?UCUN?I，?ASLANTAS?K，?BEDIR?F.?The?Effect?of?Minimum?Quantity?Lubrication?and?Cryogenic?Pre-cooling?on?Cutting?Performance?in?the?Micro?Milling?of?Inconel?718[J].?Proceedings?of?the?Institution?of?Mechanical?Engineers?Part?B?Journal?of?Engineering?Manufacture，?2014，?229（12）：1.

[15]?PEREIRA?O，?RODRGUEZ?A，?FERNNDEZ-ABIA?A?I，?et?al.?Cryogenic?and?Minimum?Quantity?Lubrication?for?An?Eco-efficiency?Turning?of?AISI?304[J].?Journal?of?Cleaner?Production，?2016，?139：440.

（編輯：溫澤宇）