金属陶瓷立铣刀不同切削参数对切削性能的影响

金属陶瓷刀具是由陶瓷与金属或合金组成的复合材料，一般由碳化钛、氮化钛或碳氮化钛作为期硬质相，这些原料与硬质合金相比具有更高的红硬性、化学稳定性，与Al2O3 基陶瓷刀具相似的高硬度与高耐磨性，与Si3N4 基陶瓷刀具相近的韧性与抗弯强度[1]。金属黏结相由各类金属单独或组合组成，现如今最常用的黏结相为Ni、Co 黏结相。黏结相与陶瓷相的润湿性决定了二者间的结合性能与强度，润湿性越高，金属陶瓷性能越好[2]。

金属陶瓷因其优异的综合力学性能和化学稳定性，进年来在机械加工行业已经成功应用于各种钢基工件的精加工、半精加工，与传统的硬质合金刀具相比，其加工时可以采用更高的切削速度，工件具有更好的几何精度和表面质量。王哲等人[3]采用其研制的金属陶瓷刀具对TC4 进行了高速车削试验，研究了不同几何形状的Ti（C，N）基金属陶瓷刀片高速车削TC4 钛合金的失效形态及失效机理。易建松等人[4]采用不同碳氮比的金属陶瓷刀具，对镍基高温合金（GH4169）进行高速干切削试验，结果表明，当金属陶瓷w（TiC）∶w（TiN）=7∶3 时，能表现出最好的基体力学性能，并在切削参数切削速度100 m/min、切削深度0.5 mm、进给量0.10 mm/r 下刀具的切削性能最好。

当前金属陶瓷刀具研究多集中于可转位刀片，而对整体立铣刀关注较少。本论文围绕金属陶瓷整体立铣刀在侧铣削加工中的应用展开研究，设计不同切削参数的侧铣削加工试验方案，通过超景深显微镜对刀具磨损形貌进行观测与分析，识别侧铣加工中刀具的主要磨损形式及磨损机理；并进行不同切削参数正交试验，系统评价不同切削参数下刀具的加工性能，最终得出金属陶瓷立铣刀在典型侧铣削工况下的最优切削参数，为其在实际加工中的应用提供理论依据与试验支撑。

1 试验刀具和试验设计

Ti（C，N）基金属陶瓷，它是以Ti（C，N）为主要成分的TiC-Ni-Mo 合金，Ni 和Mo 作为黏结金属。由于TiC 的熔点（3 200 ℃）高于WC（2 630 ℃），密度只有WC 的1/3，抗氧化性能优于WC，故TiC 基硬质合金除具有硬度高、耐磨性好，抗月牙洼磨损能力强等特点外，还具有较高的抗氧化、抗粘结和耐高温等性能，在1 100~1 300 ℃高温下仍能进行高速切削，切削钢料时有较低的磨损率[5]。抗弯强度比陶瓷刀具材料高得多，但是不如硬质合金高。金属陶瓷填补了WC 基硬质合金与陶瓷材料之间的空白，金属陶瓷和硬质合金性能对比如表1 所示。

表1 金属陶瓷和硬质合金性能对比[7]

本文采用Ti（C，N）基金属陶瓷材料制作整体四刃立铣刀进行铣削试验，如图1 所示，金属陶瓷立铣刀几何参数如表2 所示。同时采用硬质合金4 刃立铣刀进行对比试验。

表2 金属陶瓷立铣刀基本几何参数

本文试验工件材料为尺寸300 mm×200 mm×100 mm 的Q235 钢矩形块，硬度（HB）为120。在Mazak VCN-430A-Ⅱ立式铣床上进行切削试验，该设备主轴最高转速18 000 r/min，适合高速铣削加工，如图2 所示。主轴功率62.3 kW，主轴刚性较好，避免机床引起的刀具振刀等因素影响装夹在。

由于金属陶瓷有接近陶瓷的硬度和耐热性，加工时与钢的摩擦因数小，且抗弯强度和断裂韧度比陶瓷高。因此，金属陶瓷可作为高速切削加工刀具材料，切削速度选为400、500、600 m/min。由于金属陶瓷的耐磨性，非常适用于车削的精加工，且有良好的表面粗糙度，所以本次每齿进给量、切宽和切深的选择侧铣精加工参数，每齿进给量分别设置为0.05、0.075 和0.1 mm/z，切宽分别设置为0.05、0.1 和0.15 mm，切深统一设置为18 mm。为了验证不同切削参数下金属陶瓷刀具的加工性能，同时减小试验量，采用三因素三水平正交表L9（34）进行不同切削参数正交试验，具体切削参数表如表3 所示。

表3 试验切削参数表

试验过程中立铣刀每铣削20 m 使用Keyence VHX-950F 超景深测量仪进行一次后刀面磨损值VB测量并记录，当后刀面磨损值VB 或缺口达到0.1 mm时，判定试验刀具失效并停止切削。

2 试验分析

2.1 不同切削参数刀具寿命分析

基于L9（34）正交切削参数表，完成金属陶瓷和硬质合金立铣刀铣削试验，试验结果如图3 所示。金属陶瓷立铣刀在线速度400 m/min 工况下，金属陶瓷立铣刀相比于具有耐磨性优势，寿命更优。通过对不同切削参数正交试验进行极差分析，得到图4 不同切削参数对刀具寿命的影响图。随着切削速度的上升，刀具寿命呈下降趋势，过大的铣削速度，导致切削力增大，刀具寿命降低，而在600 m/min 线速度下，金属陶瓷立铣刀寿命不如硬质合金立铣刀，在高线速度的冲击下，金属陶瓷立铣刀更容易出现缺口磨损，而硬质合金具有更好韧性（抗弯强度），冲击产生的缺口较少。随着每齿进给量上升，刀具寿命呈上升趋势，采用较低的每齿进给量切削软钢时，工件回弹效应会更加明显，从而导致刀具的快速磨损。随着切宽的加大，刀具寿命呈现下降的趋势，在较低的切宽下，金属陶瓷立铣刀寿命比硬质合金高很多，更适用于小余量精加工切削。通过对比金属陶瓷立铣刀和硬质合金对比，金属陶瓷的平均寿命都优于硬质合金，在侧铣精加工Q235 工件上，优势明显。

通过表4 金属陶瓷立铣刀正交试验极差分析表， 线速度、每齿进给和切宽三个因素都对刀具寿命有显著影响，其中每齿进给量极差为246.7，为最显著的影响因素，切削速度和切宽次之，因此，根据正交试验分析，最终确定切削速度400m/min、每齿进给量0.1mm/z，切宽0.05 mm，为最佳切削参数，刀具寿命最佳。

表4 正交试验极差分析表

2.2 刀具磨损分析

采用超景深显微镜观测金属陶瓷立铣刀和硬质合金立铣刀磨损，采集了F 组切削试验（切削速度500 m/min，每齿进给量0.1 mm/z，切宽0.15 mm）的磨损形貌，金属陶瓷立铣刀磨损如图5 所示，硬质合金立铣刀磨损如图6 所示。金属陶瓷立铣刀周刃前端和后端都均匀磨损，主要失效形式的微崩口，当提升转速后，周刃前端磨损变大，周刃后端磨损较小。硬质合金立铣刀周刃均匀磨损，没有出现前后差异，主要磨损形式以沟槽磨损为主。金属陶瓷铣刀和硬质合金磨损形貌产生此差异的原因是韧性和耐磨性差异，金属陶瓷刀具耐磨性比硬质合金好，所以在切深位置，因工件表面硬化，硬质合金容易出现沟槽磨损，沟槽磨损容易产生毛刺，影响加工表面质量，相比之下，金属陶瓷刀具有着更佳的加工表面质量，且寿命相比硬质合金刀具也更长。虽然金属陶瓷刀具不容易出现沟槽磨损缺口，但是韧性不足，刀具在收到冲击时，容易在周刃前端出现微崩口磨损。

3 结论

1. 通过不同切削参数正交试验极差分析，400m/min，0.1 mm/z，0.05 mm 切宽，为金属陶瓷立铣刀侧铣最佳切削参数，对比硬质合金刀具寿命，金属陶瓷刀具的平均寿命都优于硬质合金。
2. 金属陶瓷立铣刀磨损形貌为微崩口和周刃前端磨损，硬质合金立铣刀的主要磨损形式为沟槽磨损。