PCD刀具车削氧化锆陶瓷磨损试验研究*

周飞翔，徐有峰，卞 荣，陈启东，吕东升

(南京工程学院工业中心，南京 211107)

0 引言

氧化锆陶瓷作为一种新型材料，因其具有低导热性、高硬度、良好的耐腐蚀性和生物相容性，广泛用于航空航天、新能源、化工和生物医学等领域[1]。一般情况下，氧化锆陶瓷烧结后难以满足精度和尺寸要求，通常还需要进行机械加工。然而，由于其本身的硬而脆的特性，在加工后的氧化锆陶瓷容易出现表面质量较差问题，因此，为了获得较好的加工质量，加工参数选取需要尽可能小一些，但是会引起加工效率的降低；另一方面，加工中即使采用聚晶金刚石和立方氮化硼等超硬材料制作的刀具，也无法避免刀具磨损严重的问题[2-3]。刀具磨损逐渐成为高质量加工工程陶瓷的主要问题之一，因此，研究切削中刀具磨损机理，确定加工参数以及刀具几何参数对刀具磨损的影响，对降低刀具磨损，提高加工质量和效率具有重要意义。

目前，众多学者针对使用金刚石刀具切削工程陶瓷等硬脆材料，在加工性能和刀具损伤方面，进行了大量的研究。马廉洁等[4]利用Deform软件对金刚石刀具车削氧化铝陶瓷进行仿真，分析了加工参数以及加工路程对刀具磨损量的影响。吴贤等[5]使用PCD刀具对硬质合金进行微细铣削加工，研究了刀具磨损形态和磨损机理，同时表明刀具的磨损导致加工质量降低。DASILVA等[6]使用硬质合金和聚晶金刚石刀具高速车削Ti6Al4V，研究在不同冷却润滑条件和不同加工参数下刀具的磨损机理。史燕[7]采用PCD刀具切削镁铝合金，研究了不同的加工参数以及刀具几何参数对刀具磨损的影响，并得到了降低刀具磨损的最优加工参数。濮建飞等[8]通过使用PCD刀具车削钛基复合材料试验，研究了材料增强相对刀具磨损的影响，同时分析了刀具磨损机理。FERRARIS等[9]在不同切削深度、进给速度下，采用刀尖圆角半径为0.8 mm的PCD刀具，车削完全烧结的氧化钇稳定氧化锆陶瓷，对加工后的表面质量以及刀具磨损形式进行研究，同时分析出刀具主要磨损机理。在有限元仿真和试验加工方面，众多学者对PCD刀具应用于工程陶瓷加工领域的刀具磨损特征和磨损机理已经进行了大量研究。其中，大部分的是在具有充分的冷却润滑条件或较小的加工参数即延性加工下进行研究。而针对PCD刀具在大参数下干式切削完全烧结的氧化锆陶瓷，在刀具磨损与刀尖圆角半径的关系方面，仍需进一步研究。

因此，本文使用PCD刀具对氧化锆陶瓷进行干式车削试验，研究了刀具磨损量与加工中切削深度和刀尖圆角半径之间的关系，并结合能谱图进一步分析了刀具磨损主要机理。

1 试验设备和方案

试验用车床为C6132A型，切削加工采用PCD金刚石刀片，型号分别为VCGT16040(2/4/8)，刀具几何参数如表1所示，使用的工件材料是一种完全烧结的氧化锆陶瓷，外形为环形圆柱状，长度150 mm，外径60 mm、内径30 mm，其材料性能如表2所示。本次加工试验参数为：工件转速1120 r/min，进给速度0.05 mm/r，切削深度ap分别为0.01 mm、0.025 mm、0.05 mm。刀片经超声清洗后利用SEM观察刀具磨损并对其进行能谱分析。车削加工试验如图1所示。采用单因素实验设计方法，研究刀尖圆角半径rε和切削深度ap对刀具磨损的影响，总加工路径为60 mm。

图1 车削加工试验

表1 刀具几何参数

表2 氧化锆陶瓷性能参数

2 试验结果分析及讨论

2.1 刀具磨损形貌

图2为三种不同刀尖圆角半径刀具加工后SEM图，图中白色虚线为原始切削刃轮廓线，从图中可以看出，以相同的切深对氧化锆陶瓷进行车削后，刀具磨损特征基本类似。具体表现为：磨损主要集中在刀尖和后刀面处，刀尖发生了崩刃以及刀具部分磨损区域表面伴有白色物质的涂敷和嵌入。后刀面磨损区域边界线近似抛物线形，且离切削刃越近磨损情况越严重。此外，前后刀面均出现了材料剥落现象，其中，前刀面材料剥落情况最为严重，并且材料剥落深度随切屑流出方向逐渐减小。

(a) rε=0.2 mm,ap=0.01 mm (b) rε=0.4 mm,ap=0.01 mm

工程陶瓷材料在常规加工中，材料的去除方式与金属材料不同，其在受到刀具前刀面的挤压作用下，切屑一般以脆性断裂的方式去除，并且基本不与前刀面接触[10]，因此前刀面磨损程度较轻。加工过程中，氧化锆陶瓷产生的微小切屑少部分会停留在刀具与工件接触区，随着加工的进行，接触区发生严重的摩擦，使得强度较低的刀尖最先发生磨损。当进行大进给切削时，高硬度氧化锆颗粒会对刀具造成连续冲击，以及加工过程中可能出现的高频率振动，导致PCD刀具韧性较差的刃口区域发生崩刃。随后磨损沿着主切削刃不断扩展，造成后刀面磨损。

PCD刀具与氧化锆陶瓷均具有“硬而脆”的特性，在本次大参数试验条件下，刀具在车削过程中切削刃和前、后刀面受到连续的冲击载荷和热效应，PCD刀具会产生机械损伤和热损伤，使切削区的刀具晶粒结合剂逐渐减少、软化，导致金刚石颗粒与结合剂之间产生裂纹，粘结效果降低，此时，裸露的金刚石颗粒容易从刀具基体上脱落。而晶粒脱落形成的凹坑，使得PCD刀具抗冲击性降低，导致凹坑周围金刚石颗粒脱落变得更加容易，当所受冲击应力高于刀具强度后，刀具表面会产生裂纹并且会不断扩展，扩展到一定区域后刀具表层会发生大面积脱落，最终导致PCD刀具前、后刀面出现材料成块剥落现象。

2.2 刀具磨损量

目前，后刀面的磨损宽度VB是刀具磨损最常用的评价指标[11]，如图3a所示，而本次加工中刀具磨损区域集中在刀具尖端，因此刀具尖端最大磨损VC，如图3b所示，作为评价刀具磨损的指标。图4显示了不同切深下，PCD刀具切削60 mm后的尖端最大磨损VC的变化趋势。结合上文中图2可以看出，随着切削深度的增加，三种不同刀尖圆角刀具的磨损明显增加。具体表现为，随着切深的增加，刀尖圆角半径为0.4 mm和0.8 mm的刀具刀尖最大磨损VC趋势相似，而刀尖圆角半径为0.2 mm的刀具，在切深为0.05 mm时，刀尖尖端磨损VC急剧增加。相较于切深，刀尖圆角半径对刀具尖端磨损VC的影响较小，尖端磨损VC总体上随刀尖圆角半径的增加呈现先增大后减小的趋势。

(a) 常规切削后刀面磨损 (b) 本次试验刀具磨损

图4 磨损量VC随切深变化曲线

相应的变化趋势可以解释为：随着切深的增加，PCD刀具和工件之间的接触长度增加，导致刀具所受背向力增大，而背向力与切削过程的稳定性相关，因此造成车削过程振动加剧，从而造成刀具磨损量逐渐增大[12]。此外，刀尖圆角半径小的刀具抗冲击性能较差，在0.05 mm的大切深下，受到反复的振动冲击作用，导致刀具磨损量急剧增加。本次试验中，刀尖圆角半径为0.8 mm的PCD刀具磨损量最小。当刀尖圆角变大时，一方面，刀尖的强度以及散热体积增加，另一方面，刀尖与工件之间的接触面变大，所受切削力较为均匀，一定程度上提高了抗冲击性和耐磨性。

2.3 刀具磨损机理

2.3.1 粘结磨损

图5为PCD刀具车削后SEM图，其中图5b为图5a白色线框部分放大视图，从图5b可以看出刀具前、后刀面的磨损区域均存在白色粘结物。各选取一点进行EDS分析，图6为EDS能谱分析结果，由分析结果可知这两处的白色粘结物主要是由Zr和O元素组成，而PCD刀具主要包含C和Co元素，这表明刀具上白色粘结物是氧化锆陶瓷材料，由此推断刀具发生了粘结磨损。

(a) 刀具损伤图 (b) 图a局部放大视图

(a) 颗粒1能谱图 (b) 颗粒2能谱图

在加工过程中工件和刀具之间存在强烈的挤压作用，尤其是后刀面和已加工表面存在较大的压应力，因此部分氧化锆颗粒被不断碾压涂敷到后刀面上。此外，工件被切除后产生的切屑不断从前刀面流出，与刀具表面之间存在摩擦，随着加工的进行，刀具表层材料不断被旋转的工件和切屑带走，导致原始完整表面遭到破坏，这也为氧化锆陶瓷材料的黏附提供了有利条件。另一方面，由于挤压和摩擦作用，切削区域处于高温高压状态，同时加工中可以观察到明显的火花现象，在此条件下工件材料迅速升温从而发生软化，导致接触区材料发生变形不断粘结到刀具上。部分粘结材料在本次脆性加工的强烈冲击力下发生脱落，而粘结物和刀具之间具有一定的结合强度，导致一些金刚石颗粒随粘结物一同从基体剥离；另一部分随着刀具和工件的相对运动被不断碾压镶嵌到磨损区，导致刀具粘结磨损的发生。

2.3.2 磨粒磨损

磨粒磨损是PCD刀具在加工中常见的磨损机理[5-6,13]，主要是由于磨损或微裂纹导致的金刚石颗粒剥落。在本次氧化锆陶瓷大参数脆性加工中，磨粒磨损也是主要磨损机理之一。图7分别显示了，切削深度为0.025 mm，刀尖圆角半径为0.2 mm和0.8 mm的磨损刀具SEM图，从图中可以看出后刀面磨损程度最严重，并且后刀面以及粘附在后刀面上的氧化锆涂敷层表面能观察到多道平行于切削方向的磨痕。

(a) rε=0.2 mm(b) rε=0.8 mm

氧化锆陶瓷在完全烧结后硬度很大，在加工过程中较硬的氧化锆陶瓷颗粒不断地与前、后刀面发生摩擦和刻划，对刀具表面粘结层造成损伤，因此形成了图7所示犁沟状划痕以及粘结剂刮除后产生的凹坑，这也表明氧化锆陶瓷颗粒在刀具后刀面和工件材料之间的挤压和摩擦过程中，发生了严重的塑性变形。此外，随着加工的进行，切削区温度不断升高，金刚石颗粒粘结剂受热而软化，使得金刚石晶粒容易脱落，部分脱落的金刚石颗粒以及前文中由于粘结材料脱落而剥离的金刚石颗粒也会对刀具表面形成刻划痕迹，进一步加剧了磨粒磨损。

3 总结

本文研究了PCD刀具车削氧化锆陶瓷的磨损情况。使用不同刀尖圆角半径的PCD刀具在不同切削深度下进行干式车削加工，结合刀具损伤SEM图和能谱图可以得出以下结论。

(1)PCD刀具的磨损主要集中在刀尖和后刀面上，离切削刃越近，磨损情况越严重；刀具磨损特征主要表现为前、后刀面材料的剥落和崩刃，其中材料剥落现象最为明显，主要原因是持续的冲击载荷和热效应导致的机械损伤和热损伤。

(2)本次试验加工中，刀具尖端最大磨损VC随着切深的增加而增加，随刀尖圆角半径增加，总体上先增大后减小；刀尖圆角半径为0.8 mm的PCD刀具磨损程度最小。

(3)刀具磨损主要机理为粘结磨损和磨粒磨损。前、后刀面上均存在氧化锆陶瓷粘结颗粒，磨粒磨损主要发生在后刀面。