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摘 要：针对300M超高强度钢在加工过程中因刀具磨损造成的刀具快速失效问题，采用硬质合金涂层刀具进行了300M钢干式铣削试验研究;通过极差分析法研究了铣削参数对刀具磨损的影响规律;以铣削速度为单一变量进行单因素试验，对刀具的磨损形式进行了分析，最后通过能谱分析揭示了刀具的磨损机理。试验结果表明：铣削速度对刀具磨损的影响最大，进给速度次之，铣削宽度最小。铣削速度越高，刀具磨损、崩刃现象越严重。刀具在磨损过程中依次经过涂层脱落，硬质合金基体材料磨损和崩刃3个阶段。刀具前刀面的月牙洼磨损随铣削速度和铣削长度的增加而增大。刀具的磨损机理为磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损。
关键词：300M超高强度钢;干式铣削;刀具磨损;铣削速度
DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.009
中图分类号： TG506.1
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2019）03-0054-05
Abstract：Aiming at the problem of the rapid failure of 300M ultrahighstrength steel due to tool wear in the process of machining， the test of 300M steel in dry milling with cemented carbide coated tools was carried out. The influence law of milling parameters on tool wear was studied by range analysis. The single factor experiment was carried out with the milling speed as the only variable， and the wear forms of cutting tools were analyzed and the wear mechanism of the tool was revealed by energy spectrum analysis. The results show that the effect of milling speed on tools wear is maximal， and the effect of feed speed is smaller than milling speed and the effect of milling width is minimal. The higher the milling speed， the more the cutting tool wear and collapse. During the wear process， the tool passes through three stages， namely the coating shedding， the carbide matrix material wear and cutting edge collapse. The crater wear of tool rake face increases with the increase of milling speed and milling length. The mechanism of tool wear is abrasive wear， adhesive wear and oxidative wear.
Keywords：300M ultrahighstrength steel; dry milling; tool wear; milling speed
0 引 言
300M超高强度钢因其独有的优良特性和综合性能，被用于飞机起落架、活塞杆等超高强度场合[1-2]。但300M 钢属于低合金超高强度钢，是一种难加工材料，其切削加工性能极差[3]。传统加工超高强度钢时，通常采用磨削和切削相结合的方式，这样就使加工过程变得复杂，装夹耗时长，加工效率变低[4]。从其化学成分组成上来看由于含有一些元素尤其是高含量的元素Ni，虽然提高了材料的硬度和强度但同时也降低了材料的导热性能[5]，因此切削该材料时容易产生加工硬化。通常在铣削加工时，铣削力和铣削温度较高，导致刀具磨损破损现象严重[6]，甚至在铣削加工初期就出现刀具磨损和破损的现象，进而失去铣削能力。所以研究300M钢的刀具磨损，解决加工制造时遇到的难题具有重大的意义[7]。
近年来，国内外的学者对300M超高强度钢及刀具磨损方面进行了系统研究。国内方面，山东大学的刘维民等[8]对300M超高强度钢进行了干切削试验，研究表明陶瓷刀具的磨损机理主要为粘结磨损、磨粒磨损和氧化磨损。山东理工大学的房友飞选用不同涂層的刀具进行了300M钢的高速切削试验，利用工具显微镜和电子扫描显微镜对刀具磨损状态进行了分析，揭示了刀具磨损机理[9]。北京航空航天大学的张保国通过加工300M钢，分析刀具磨损原因并总结出了合理的刀具磨损测量方法[10]。西安科技大学的王东通过陶瓷刀具高速车削300M的试验发现，切削300M钢时的切削速度不宜超过400m/min，根据刀具的磨损状态分析得出磨损机理主要为磨粒磨损和粘结磨损[11]。浙江海洋船舶学院的袁跃峰对300M钢进行了刀具磨损试验研究，研究表明硬质合金刀具加工300M钢时不宜采用过大的切削速度和切削深度[12]。
国外方面，美国犹他大学的P I Varela研究了刀具几何参数和切削条件对硬车削（起落架的最后一个制造工艺）300M钢的影响，并总结了规律[13]。加拿大的Perez R.G.V学者采用有限元分析和切削试验相结合的手段研究300M钢，对刀具磨损进行了预测[14]。英国肯塔基大学的P. W. Marksberry等采用金属加工液进行了切削试验，通过扩展的泰勒公式建立了刀具磨损模型，发现模型得到的磨损量与实际值的误差在10%以内[15]。澳大利亚科廷大学的A. Pramanik等人发现钛合金在加工过程中刀具磨损主要经过磨损，扩散-溶解，热裂纹和塑性变形几个过程[16]。西班牙蒙特拉贡大学的P. J. Arrazola等人对切削钛合金Ti6Al4V和 Ti5553时的刀具磨损机理进行了深入研究[17]。 铣削加工时，刀具材料的选取对刀具的使用寿命、生产效率和制造成本有着明显的影响，其原因在于生产制造中刀具通常会承受摩擦、高温、高压、振动和冲击等作用，所以要着重考虑刀具是否具有足够的韧性和强度[18-19]。
现阶段在切削300M钢的刀具磨损方向上研究较少，所以本文从300M钢的材料特性出发，通过300M钢的干式铣削试验，研究了铣削参数对刀具磨损的影响规律，分析了刀具的磨损机理，在实际加工300M钢时切削参数的选择方面具有一些参考价值。
1 试验设计与方案
1.1 工件材料及刀具
1）工件材料：加工材料为300M钢，其化学成分如表1所示[20]。
2）刀具材料及参数：试验刀具为山特公司生产的R290可转位铣刀盘，型号为R290080Q2712H，刀盘直径为80mm，最大切深是10.7mm，如图1（a）所示。刀片型号为SANDVIK R29012T308MPL，属于硬质合金涂层刀片，涂层材料为TiCN+Al2O3+TiN复合涂层，如图1（b）所示，这种刀片的硬度很高，抗磨粒磨损能力也很强。刀片的参数如下：刀片高度为13.29mm，刀片厚度为3.97mm，后角为18°，刀尖圆弧半径为0.8mm。
1.2 铣削试验方案
1.2.1 正交试验方案
本文以铣削长度170mm为单位进行刀片磨损试验，铣削方式采用单齿顺铣，每进行一次铣削试验就取下并保留刀片，在超景深显微镜下观察并测量刀具后刀面磨损量VB值，为了减少试验组数同时保证试验的准确性，选择正交试验法完成方案设计，以铣削速度vc、铣削深度ap、进给速度vf及铣削宽度ae为铣削参数进行试验。正交试验参数如表2所示。
1.2.2 单因素试验方案
在正交试验的基础上，固定铣削参数：铣削深度ap=0.4mm，每齿进给量fz=0.15mm/z，铣削宽度ae=24mm，以铣削速度为单一变量进行单因素试验，每次试验铣削一定长度后取下刀片，通过超景深显微镜拍照并测量后刀面磨损量VB值，利用扫描电镜（SEM）对已磨损刀片的元素含量进行分析，揭示刀具磨损机理。
2 试验结果与分析
2.1 铣削参数对刀具磨损的影响
通过干式铣削300M钢得到的后刀面磨损量VB值及各参数的极差值如表3所示。
根据每个因素4水平的综合平均值求出各自的极差值R，由表可知Rvc>Rvf>Rap>Rae，因此可以确定铣削速度是刀具磨损最主要的影响因素，进给速度次之，铣削宽度最小，所以在加工时应着重考虑铣削速度的取值。
2.2 铣削速度对刀具磨损的影响
以铣削速度vc为单一变量的试验结果如图2所示，铣削长度越长，刀具磨损越严重。当vc介于75m/min-150m/min时，刀具磨损速度较为缓慢，初期磨损差别不明显，刀具寿命也较长。
从图2的磨损曲线可以看出当铣削速度为190m/min时，刀具的正常磨损阶段变短，在铣削长度L=1380mm后进入剧烈磨损阶段，最终在L=2040mm时发生崩刃，刀片后刀面磨损状态如图3（a）所示。
随着铣削速度的升高，刀具的初期和正常磨损阶段急剧缩短，刀具磨损加快，刀具在铣削速度为240m/min，铣削长度L=1360mm时发生崩刃，且后刀面磨损严重，磨损状态如图3（b）所示。
当铣削速度高于300M/min时刀具直接进入剧烈磨损阶段，如图3（c）所示，在铣削长度仅仅为340mm时后刀面磨损值就超过磨钝标准并发生崩刃，其原因为铣削速度过高，刀具承受的载荷过大且刀具、工件及切屑频繁接触摩擦，产生大量的切削热聚集在刀刃处无法及时传递，从而降低了刀具的疲劳强度。
2.3 刀具前刀面磨损分析
当速度vc=75m/min 、铣削长度L=170mm时，刀具前刀面涂层剥落，并出现程度较轻的月牙洼磨损，如图4（a）所示。铣削加工时刀具的切削刃在工件表面上不断的切入切出，此时刀具就会承受周期极短的冷热交替的过程，刀具材料在交变热应力和接触应力的共同作用下，在其内部产生疲劳裂纹源，摩擦一定时间后裂纹源向外快速延伸，最终导致涂层材料的剥落。此后刀具失去了涂层的保护，刀具基体和切屑直接接触，温度急剧升高，化学活性提高，硬质合金材料中的粘结相Co元素迅速离散，刀体中的WC颗粒就会在摩擦作用下不断流出刀体，造成刀具基体磨损，从而降低了刀具的强度。根据图4（b）可知，相同速度下，月牙洼寬度和深度随铣削长度的增加而逐渐增大。当铣削速度过大，铣削长度过长，硬质合金刀具的前刀面连接切削刃的区域同切削刃就会出现崩刃现象，如图4（c）所示，这是由于铣削加工属于断续加工，而且300M钢硬度较高，导热性能差，所以会出现崩刃的现象。
2.4 刀具后刀面磨损分析
高速铣削300M钢时，刀具的后刀面磨损区域主要集中在切削刃附近，造成磨损的主要原因是由于后刀面与被加工工件的已加工表面之间的摩擦，随着铣削时间的增加，刀具磨损也逐渐增大，所以通常将后刀面磨损值作为衡量刀具寿命的参考。图5为刀具在铣削长度为170mm后刀面磨损形貌，可以看出涂层均已脱落，根据测得的磨损平均值可知：随着铣削速度升高，后刀面磨损值逐渐增加，当铣削速度为300m/min时，刀具材料发生破损，其原因为300M钢经淬火后，马氏体硬度高、剪应力大，高速铣削时刀尖应力集中，切屑与前刀面接触摩擦，在刀尖处聚集大量的切削热且无法向外扩散，当切削力和切削热超过刀体的承受范围时，就容易造成刀具失效。
在图5中可以看出，磨损表面呈现密集且均匀的条纹状，这是因为刀具和工件不断的摩擦使刀具表面温度升高，刀具硬度降低，工件材料中存在比刀具基体硬得多的硬质点， 这些硬质点在刀具表面上连续的摩擦并划伤刀具表面，最终造成磨粒磨损。 采用扫描电子显微镜对刀具后刀面磨损形貌进行观察，并在A点处进行能谱分析（EDS），得到的元素分布状态如图6所示。
在EDS的元素分布可以看见刀具表面存在少量的Cr、Ni、Mn等元素，说明刀具发生了粘结现象，粘结物会随着铣削时间的增加而逐渐增大，最终粘结层在机械冲击作用下从刀具表面连同刀具材料一起脱落下来，造成刀具的粘结磨损。同时，也发现了大量的O元素，而刀具基体材料中不存在O元素，说明空气中的氧与刀具材料中的Co、WC产生了氧化反应，形成了强度和硬度较低的氧化膜，降低了刀具材料的性能。氧化反应一般在 700℃～800℃时极易发生，其磨损速度主要取决于氧化膜的粘附强度，强度越低磨损越快，这类磨损易发生于边界上。
3 结 论
通过硬质合金涂层刀具对300M干式铣削试验的研究可以得出以下结论：
1）铣削速度是影响刀具磨损最主要的因素，进给速度次之，铣削宽度最小。
2）铣削速度越高，铣削长度越长，刀具磨损越严重，尤其当铣削速度高于300m/min时刀具直接发生剧烈磨损，发生大面积崩刃现象。
3）刀具的磨损过程分为3个阶段：涂层脱落，基体磨损和切削刃崩刃。
4）刀具前刀面表现为月牙洼磨损，月牙洼区域随铣削速度和铣削长度的增加而逐渐增大。
5）刀具的磨损机理为磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损。
参 考 文 献：
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[4] 黄文斌. 超高强度钢30Cr3SiNiMoVA高速铣削工艺参数优化研究[D]. 上海： 上海交通大学， 2011.
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（编辑：温泽宇）
关键词：300M超高强度钢;干式铣削;刀具磨损;铣削速度
DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.009
中图分类号： TG506.1
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2019）03-0054-05
Abstract：Aiming at the problem of the rapid failure of 300M ultrahighstrength steel due to tool wear in the process of machining， the test of 300M steel in dry milling with cemented carbide coated tools was carried out. The influence law of milling parameters on tool wear was studied by range analysis. The single factor experiment was carried out with the milling speed as the only variable， and the wear forms of cutting tools were analyzed and the wear mechanism of the tool was revealed by energy spectrum analysis. The results show that the effect of milling speed on tools wear is maximal， and the effect of feed speed is smaller than milling speed and the effect of milling width is minimal. The higher the milling speed， the more the cutting tool wear and collapse. During the wear process， the tool passes through three stages， namely the coating shedding， the carbide matrix material wear and cutting edge collapse. The crater wear of tool rake face increases with the increase of milling speed and milling length. The mechanism of tool wear is abrasive wear， adhesive wear and oxidative wear.
Keywords：300M ultrahighstrength steel; dry milling; tool wear; milling speed
0 引 言
300M超高强度钢因其独有的优良特性和综合性能，被用于飞机起落架、活塞杆等超高强度场合[1-2]。但300M 钢属于低合金超高强度钢，是一种难加工材料，其切削加工性能极差[3]。传统加工超高强度钢时，通常采用磨削和切削相结合的方式，这样就使加工过程变得复杂，装夹耗时长，加工效率变低[4]。从其化学成分组成上来看由于含有一些元素尤其是高含量的元素Ni，虽然提高了材料的硬度和强度但同时也降低了材料的导热性能[5]，因此切削该材料时容易产生加工硬化。通常在铣削加工时，铣削力和铣削温度较高，导致刀具磨损破损现象严重[6]，甚至在铣削加工初期就出现刀具磨损和破损的现象，进而失去铣削能力。所以研究300M钢的刀具磨损，解决加工制造时遇到的难题具有重大的意义[7]。
近年来，国内外的学者对300M超高强度钢及刀具磨损方面进行了系统研究。国内方面，山东大学的刘维民等[8]对300M超高强度钢进行了干切削试验，研究表明陶瓷刀具的磨损机理主要为粘结磨损、磨粒磨损和氧化磨损。山东理工大学的房友飞选用不同涂層的刀具进行了300M钢的高速切削试验，利用工具显微镜和电子扫描显微镜对刀具磨损状态进行了分析，揭示了刀具磨损机理[9]。北京航空航天大学的张保国通过加工300M钢，分析刀具磨损原因并总结出了合理的刀具磨损测量方法[10]。西安科技大学的王东通过陶瓷刀具高速车削300M的试验发现，切削300M钢时的切削速度不宜超过400m/min，根据刀具的磨损状态分析得出磨损机理主要为磨粒磨损和粘结磨损[11]。浙江海洋船舶学院的袁跃峰对300M钢进行了刀具磨损试验研究，研究表明硬质合金刀具加工300M钢时不宜采用过大的切削速度和切削深度[12]。
国外方面，美国犹他大学的P I Varela研究了刀具几何参数和切削条件对硬车削（起落架的最后一个制造工艺）300M钢的影响，并总结了规律[13]。加拿大的Perez R.G.V学者采用有限元分析和切削试验相结合的手段研究300M钢，对刀具磨损进行了预测[14]。英国肯塔基大学的P. W. Marksberry等采用金属加工液进行了切削试验，通过扩展的泰勒公式建立了刀具磨损模型，发现模型得到的磨损量与实际值的误差在10%以内[15]。澳大利亚科廷大学的A. Pramanik等人发现钛合金在加工过程中刀具磨损主要经过磨损，扩散-溶解，热裂纹和塑性变形几个过程[16]。西班牙蒙特拉贡大学的P. J. Arrazola等人对切削钛合金Ti6Al4V和 Ti5553时的刀具磨损机理进行了深入研究[17]。 铣削加工时，刀具材料的选取对刀具的使用寿命、生产效率和制造成本有着明显的影响，其原因在于生产制造中刀具通常会承受摩擦、高温、高压、振动和冲击等作用，所以要着重考虑刀具是否具有足够的韧性和强度[18-19]。
现阶段在切削300M钢的刀具磨损方向上研究较少，所以本文从300M钢的材料特性出发，通过300M钢的干式铣削试验，研究了铣削参数对刀具磨损的影响规律，分析了刀具的磨损机理，在实际加工300M钢时切削参数的选择方面具有一些参考价值。
1 试验设计与方案
1.1 工件材料及刀具
1）工件材料：加工材料为300M钢，其化学成分如表1所示[20]。
2）刀具材料及参数：试验刀具为山特公司生产的R290可转位铣刀盘，型号为R290080Q2712H，刀盘直径为80mm，最大切深是10.7mm，如图1（a）所示。刀片型号为SANDVIK R29012T308MPL，属于硬质合金涂层刀片，涂层材料为TiCN+Al2O3+TiN复合涂层，如图1（b）所示，这种刀片的硬度很高，抗磨粒磨损能力也很强。刀片的参数如下：刀片高度为13.29mm，刀片厚度为3.97mm，后角为18°，刀尖圆弧半径为0.8mm。
1.2 铣削试验方案
1.2.1 正交试验方案
本文以铣削长度170mm为单位进行刀片磨损试验，铣削方式采用单齿顺铣，每进行一次铣削试验就取下并保留刀片，在超景深显微镜下观察并测量刀具后刀面磨损量VB值，为了减少试验组数同时保证试验的准确性，选择正交试验法完成方案设计，以铣削速度vc、铣削深度ap、进给速度vf及铣削宽度ae为铣削参数进行试验。正交试验参数如表2所示。
1.2.2 单因素试验方案
在正交试验的基础上，固定铣削参数：铣削深度ap=0.4mm，每齿进给量fz=0.15mm/z，铣削宽度ae=24mm，以铣削速度为单一变量进行单因素试验，每次试验铣削一定长度后取下刀片，通过超景深显微镜拍照并测量后刀面磨损量VB值，利用扫描电镜（SEM）对已磨损刀片的元素含量进行分析，揭示刀具磨损机理。
2 试验结果与分析
2.1 铣削参数对刀具磨损的影响
通过干式铣削300M钢得到的后刀面磨损量VB值及各参数的极差值如表3所示。
根据每个因素4水平的综合平均值求出各自的极差值R，由表可知Rvc>Rvf>Rap>Rae，因此可以确定铣削速度是刀具磨损最主要的影响因素，进给速度次之，铣削宽度最小，所以在加工时应着重考虑铣削速度的取值。
2.2 铣削速度对刀具磨损的影响
以铣削速度vc为单一变量的试验结果如图2所示，铣削长度越长，刀具磨损越严重。当vc介于75m/min-150m/min时，刀具磨损速度较为缓慢，初期磨损差别不明显，刀具寿命也较长。
从图2的磨损曲线可以看出当铣削速度为190m/min时，刀具的正常磨损阶段变短，在铣削长度L=1380mm后进入剧烈磨损阶段，最终在L=2040mm时发生崩刃，刀片后刀面磨损状态如图3（a）所示。
随着铣削速度的升高，刀具的初期和正常磨损阶段急剧缩短，刀具磨损加快，刀具在铣削速度为240m/min，铣削长度L=1360mm时发生崩刃，且后刀面磨损严重，磨损状态如图3（b）所示。
当铣削速度高于300M/min时刀具直接进入剧烈磨损阶段，如图3（c）所示，在铣削长度仅仅为340mm时后刀面磨损值就超过磨钝标准并发生崩刃，其原因为铣削速度过高，刀具承受的载荷过大且刀具、工件及切屑频繁接触摩擦，产生大量的切削热聚集在刀刃处无法及时传递，从而降低了刀具的疲劳强度。
2.3 刀具前刀面磨损分析
当速度vc=75m/min 、铣削长度L=170mm时，刀具前刀面涂层剥落，并出现程度较轻的月牙洼磨损，如图4（a）所示。铣削加工时刀具的切削刃在工件表面上不断的切入切出，此时刀具就会承受周期极短的冷热交替的过程，刀具材料在交变热应力和接触应力的共同作用下，在其内部产生疲劳裂纹源，摩擦一定时间后裂纹源向外快速延伸，最终导致涂层材料的剥落。此后刀具失去了涂层的保护，刀具基体和切屑直接接触，温度急剧升高，化学活性提高，硬质合金材料中的粘结相Co元素迅速离散，刀体中的WC颗粒就会在摩擦作用下不断流出刀体，造成刀具基体磨损，从而降低了刀具的强度。根据图4（b）可知，相同速度下，月牙洼寬度和深度随铣削长度的增加而逐渐增大。当铣削速度过大，铣削长度过长，硬质合金刀具的前刀面连接切削刃的区域同切削刃就会出现崩刃现象，如图4（c）所示，这是由于铣削加工属于断续加工，而且300M钢硬度较高，导热性能差，所以会出现崩刃的现象。
2.4 刀具后刀面磨损分析
高速铣削300M钢时，刀具的后刀面磨损区域主要集中在切削刃附近，造成磨损的主要原因是由于后刀面与被加工工件的已加工表面之间的摩擦，随着铣削时间的增加，刀具磨损也逐渐增大，所以通常将后刀面磨损值作为衡量刀具寿命的参考。图5为刀具在铣削长度为170mm后刀面磨损形貌，可以看出涂层均已脱落，根据测得的磨损平均值可知：随着铣削速度升高，后刀面磨损值逐渐增加，当铣削速度为300m/min时，刀具材料发生破损，其原因为300M钢经淬火后，马氏体硬度高、剪应力大，高速铣削时刀尖应力集中，切屑与前刀面接触摩擦，在刀尖处聚集大量的切削热且无法向外扩散，当切削力和切削热超过刀体的承受范围时，就容易造成刀具失效。
在图5中可以看出，磨损表面呈现密集且均匀的条纹状，这是因为刀具和工件不断的摩擦使刀具表面温度升高，刀具硬度降低，工件材料中存在比刀具基体硬得多的硬质点， 这些硬质点在刀具表面上连续的摩擦并划伤刀具表面，最终造成磨粒磨损。 采用扫描电子显微镜对刀具后刀面磨损形貌进行观察，并在A点处进行能谱分析（EDS），得到的元素分布状态如图6所示。
在EDS的元素分布可以看见刀具表面存在少量的Cr、Ni、Mn等元素，说明刀具发生了粘结现象，粘结物会随着铣削时间的增加而逐渐增大，最终粘结层在机械冲击作用下从刀具表面连同刀具材料一起脱落下来，造成刀具的粘结磨损。同时，也发现了大量的O元素，而刀具基体材料中不存在O元素，说明空气中的氧与刀具材料中的Co、WC产生了氧化反应，形成了强度和硬度较低的氧化膜，降低了刀具材料的性能。氧化反应一般在 700℃～800℃时极易发生，其磨损速度主要取决于氧化膜的粘附强度，强度越低磨损越快，这类磨损易发生于边界上。
3 结 论
通过硬质合金涂层刀具对300M干式铣削试验的研究可以得出以下结论：
1）铣削速度是影响刀具磨损最主要的因素，进给速度次之，铣削宽度最小。
2）铣削速度越高，铣削长度越长，刀具磨损越严重，尤其当铣削速度高于300m/min时刀具直接发生剧烈磨损，发生大面积崩刃现象。
3）刀具的磨损过程分为3个阶段：涂层脱落，基体磨损和切削刃崩刃。
4）刀具前刀面表现为月牙洼磨损，月牙洼区域随铣削速度和铣削长度的增加而逐渐增大。
5）刀具的磨损机理为磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损。
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（编辑：温泽宇）