高速鋼刀具的失效形式與刀具材料的熱處理狀態(tài)、淬火硬度、強(qiáng)度、韌性、表面質(zhì)量等因素密切相關(guān)，確定它們之間的相互關(guān)系及變化規(guī)律，對(duì)于刀具制造及切削加工具有重要意義。
 
 1 M42高速鋼刀具的失效形式
 
 硬度是影響高速鋼刀具性能的重要指標(biāo)之一。M42高速鋼(國(guó)外牌號(hào))立銑刀經(jīng)分級(jí)淬火后硬度達(dá)68～70HRC。由于硬度偏高，該刀具切削工件時(shí)，切削刃口很快發(fā)生崩刃，導(dǎo)致刀具快速失效。從失效刀具上可觀察到兩種崩刃形式：①刃口產(chǎn)生如圖1所示的均勻崩刃，在前、后刀面之間有一段刃口均勻缺損，產(chǎn)生的崩刃斜面與基面約呈45°角；

圖1 M42高速鋼立銑刀的均勻崩刃

②刃口產(chǎn)生如圖2所示的脆性崩刃，如剝皮似地沿第一、第二后刀面脫層崩刃，即刀具碎片以薄層形式從刀具后表面上剝落，刃口崩刃處局部有放射狀和人字形花紋，無(wú)疲勞源跡象，因此屬脆性崩刃。

圖2 M42高速鋼立銑刀的脆性崩刃

此外，在使用過的刀具中還觀察到如圖3所示的垂直于切削刃的裂紋。失效刀具崩刃后留在刀體上的裂紋方向與磨制后刀面時(shí)留下的刀痕方向一致，且裂紋程度與刀具后刀面的表面粗糙度有關(guān)，粗糙度值越大，留下的裂紋隱患越多。由于淬火硬度高，刃口處應(yīng)力易集中，因此一旦產(chǎn)生裂紋，便會(huì)急劇擴(kuò)展，直至刀具某段刃口完全脫離刀體，產(chǎn)生脫層崩刃。

圖3 M42高速鋼立銑刀的裂紋

2 刀具的抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

一般來說，刀具硬度高，其耐磨性較好，但韌性較差，脆性較大。通常可用韌性指標(biāo)來表示刀具抵抗裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的能力。評(píng)定脆性材料韌性的常用方法是抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)(高速鋼刀具經(jīng)淬火后可認(rèn)為是脆性材料或低塑性材料)。該試驗(yàn)不受試樣偏斜的影響，可穩(wěn)定測(cè)試刀具的抗彎強(qiáng)度值。由于強(qiáng)度與韌性相互關(guān)連，因此抗彎強(qiáng)度值越高，刀具抗脆性斷裂的能力(即韌性)越強(qiáng)。

2.1 試驗(yàn)方法

由于未查到工具鋼抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此我們根據(jù)材料力學(xué)抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式自行設(shè)計(jì)了M42高速鋼立銑刀的抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方案，并確定了試樣和跨距支點(diǎn)尺寸。首先用經(jīng)不同熱處理工藝處理的M42高速鋼立銑刀進(jìn)行切削，并觀察刀具的失效形式，然后用失效刀具制成不同尺寸的方形小桁條試樣，將試樣置于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上，在試樣三點(diǎn)彎曲狀態(tài)下以緩慢速率對(duì)試樣加載，測(cè)出其抗彎強(qiáng)度值。

2.2 試樣受力狀態(tài)分析

試驗(yàn)中，試樣斷面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大。壓力作用點(diǎn)在兩個(gè)支點(diǎn)之間，試樣上表面受壓應(yīng)力，下表面受拉應(yīng)力，中間段呈懸臂狀態(tài)。

在試驗(yàn)過程中，受壓試樣經(jīng)歷三個(gè)階段的變化：①?gòu)椥宰冃坞A段；②塑性變形階段；③裂紋擴(kuò)展至斷裂階段。由于脆性材料的塑性變形極小，因此第二階段可忽略不計(jì)。

試樣破損形式可解釋為：試樣中段表面應(yīng)力集中，首先產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)應(yīng)力大到一定程度后即產(chǎn)生表面裂紋，裂紋迅速擴(kuò)展到整個(gè)試樣截面，試樣斷裂。彈性變形需要一定能量，裂紋擴(kuò)張至斷裂也需要一定能量，兩者之和可反映材料從產(chǎn)生裂紋至擴(kuò)張斷裂的難易程度，因此抗彎強(qiáng)度值可表示阻礙材料裂紋擴(kuò)張的能力。

刀具刃口受力情況如圖4所示。切削刃口呈楔角狀，實(shí)體夾角<75°，切削力集中作用于刃口附近1mm區(qū)域內(nèi)，切削力P基本垂直于前刀面，刃口呈懸臂狀，受到壓應(yīng)力，支點(diǎn)在芯徑內(nèi)切圓上。由于刀具受力狀態(tài)與抗彎試驗(yàn)狀態(tài)大體相似，因此通過抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)來評(píng)定刀具材料韌性較為合理。雖然嚴(yán)格地說，抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)與刀具實(shí)際工作狀態(tài)仍有不同，如刀具刃口的受力速度、截面大小等均不一樣(抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)是對(duì)試樣緩慢加力)，但由于抗彎強(qiáng)度值是表示單位面積所受力的大小，與力的作用速度、刀具截面大小無(wú)關(guān)，因此上述差別影響不大。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖4 刀具刃口受力情況

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用不同熱處理工藝的M42高速鋼立銑刀的切削試驗(yàn)與抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表所示。

表 M42高速鋼刀具切削試驗(yàn)與抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

序
號(hào)試樣
尺寸
(mm)熱處理工藝硬度
(HRC)抗彎強(qiáng)度s_bb
(平均值)刀具失效形式與強(qiáng)度試驗(yàn)表現(xiàn)15×5
×60原分級(jí)淬火：1160～1200℃淬火，540～550℃三次回火67.3～67.93024切削不久產(chǎn)生均勻崩刃(尺寸10×1)；強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)3個(gè)試樣受力即一端崩掉，表明刀具脆性大，不適合較高速切削，切削參數(shù)較低25×5
×51同上67.9～68.32746切削不久產(chǎn)生大塊脫層；強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)2個(gè)試樣受力即一端崩掉，表明刀具脆性大，不適合較高速切削，切削參數(shù)較低35×5
×51同上68～68.42518切削不久產(chǎn)生11處崩刃(尺寸2×0.3)；不適合較高速切削，切削參數(shù)較低45×5
×51同上64～64.43543磨損較快，切削參數(shù)較低55×5
×55改進(jìn)分級(jí)淬火：1160～1200℃淬火，540～560℃四次回火67～67.13429切削時(shí)有1處崩刃(尺寸1×0.3)；適合較高速切削，切削參數(shù)較高65×5
×55等溫淬火：1160～1200℃淬火，540～560℃四次回火67～67.13605切削正常，無(wú)崩刃；適應(yīng)較高速切削，切削參數(shù)較高

分析試驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

1) 采用原分級(jí)淬火工藝時(shí)，刀具熱處理硬度高(68～70HRC)，脆性大，不利于正常切削。

2) 采用改進(jìn)分級(jí)淬火工藝時(shí)，刀具熱處理硬度在65～67.5HRC之間，使用性能有所改善。

3) 采用等溫淬火工藝時(shí)，淬火過程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，體積變化小，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的數(shù)量減少，組織應(yīng)力減小，經(jīng)正確回火后，既保持了高速鋼刀具所需硬度(65～67.5HRC)，又改善了強(qiáng)度和韌性。在硬度基本相同的情況下，等溫淬火刀具的σbb(平均值)比改進(jìn)分級(jí)淬火刀具大約高5.1%。

4) M42高速鋼立銑刀的硬度超過67.5HRC后，刀具脆性增大，韌性較差，抗彎強(qiáng)度值較低，只適合用于小余量精銑，不適合用于切削力、沖擊力較大的粗銑、半精銑及高速切削。如刀具硬度低于65HRC，雖然可適應(yīng)較大加工范圍，抗彎強(qiáng)度值高，韌性較好，但刀具耐磨性差，工作壽命降低，同樣不利于高速切削，難以體現(xiàn)出M42高速鋼切削速度高、耐磨性好的特點(diǎn)。為使刀具兼有較大加工范圍和較理想的切削性能，將刀具硬度控制在65～67.5HRC之間較為適宜，在此硬度范圍內(nèi)，刀具可保持較高的紅硬性和耐磨性，而韌性及強(qiáng)度又可得到適當(dāng)改善，刃口韌性好，不易崩刃，可選取較高切削速度及較大走刀量。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

通過對(duì)M42高速鋼立銑刀進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了刀具材料熱處理硬度與韌性之間的內(nèi)在聯(lián)系及變化規(guī)律，為刀具設(shè)計(jì)人員提供了合理的刀具硬度范圍，對(duì)提高刀具使用性能具有重要意義。