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发表于 2009-8-8 19:52:36
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来自： 中国山东聊城
M42高速钢刀具的抗弯强度试验及分析
2 刀具的抗弯强度试验
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一般来说，刀具硬度高，其耐磨性较好，但韧性较差，脆性较大。通常可用韧性指标来表示刀具抵抗裂纹产生和扩展的能力。评定脆性材料韧性的常用方法是抗弯强度试验(高速钢刀具经淬火后可认为是脆性材料或低塑性材料)。该试验不受试样偏斜的影响，可稳定测试刀具的抗弯强度值。由于强度与韧性相互关连，因此抗弯强度值越高，刀具抗脆性断裂的能力(即韧性)越强。
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2 ~; B6 \3 P2 q: e, ]2.1 试验方法
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由于未查到工具钢抗弯强度试验国家标准，因此我们根据材料力学抗弯强度计算公式自行设计了M42高速钢立铣刀的抗弯强度试验方案，并确定了试样和跨距支点尺寸。首先用经不同热处理工艺处理的M42高速钢立铣刀进行切削，并观察刀具的失效形式，然后用失效刀具制成不同尺寸的方形小桁条试样，将试样置于万能材料试验机上，在试样三点弯曲状态下以缓慢速率对试样加载，测出其抗弯强度值。
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2.2 试样受力状态分析
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试验中，试样断面上的应力分布不均匀，表面应力最大。压力作用点在两个支点之间，试样上表面受压应力，下表面受拉应力，中间段呈悬臂状态。 ) l0 e9 f. Y0 p, N/ _1 j3 y) y
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在试验过程中，受压试样经历三个阶段的变化：①弹性变形阶段；②塑性变形阶段；③裂纹扩展至断裂阶段。由于脆性材料的塑性变形极小，因此第二阶段可忽略不计。
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试样破损形式可解释为：试样中段表面应力集中，首先产生弹性变形，当应力大到一定程度后即产生表面裂纹，裂纹迅速扩展到整个试样截面，试样断裂。弹性变形需要一定能量，裂纹扩张至断裂也需要一定能量，两者之和可反映材料从产生裂纹至扩张断裂的难易程度，因此抗弯强度值可表示阻碍材料裂纹扩张的能力。
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& H h" b6 k% N6 o3 e刀具刃口受力情况如图4所示。切削刃口呈楔角状，实体夹角<75°，切削力集中作用于刃口附近1mm区域内，切削力P基本垂直于前刀面，刃口呈悬臂状，受到压应力，支点在芯径内切圆上。由于刀具受力状态与抗弯试验状态大体相似，因此通过抗弯强度试验来评定刀具材料韧性较为合理。虽然严格地说，抗弯强度试验与刀具实际工作状态仍有不同，如刀具刃口的受力速度、截面大小等均不一样(抗弯强度试验是对试样缓慢加力)，但由于抗弯强度值是表示单位面积所受力的大小，与力的作用速度、刀具截面大小无关，因此上述差别影响不大。
3 a3 F2 H9 ^9 B5 \5 K图4 刀具刃口受力情况 3 试验结果及分析 - u5 j& U' Y0 Q7 X- @( z6 v
2 G; y2 S$ U1 ^8 p D采用不同热处理工艺的M42高速钢立铣刀的切削试验与抗弯强度试验结果如表所示。
8 t8 ^# O! `" H# l- w5 c表 M42高速钢刀具切削试验与抗弯强度试验结果
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号 | 试样
' V4 S/ P0 N& ^尺寸
$ c6 u" p' K, _4 b(mm) | 热处理工艺 | 硬度 s# N! j) K/ j
(HRC) | 抗弯强度sbb
% g) Q/ e: D7 s# U$ r(平均值) | 刀具失效形式与强度试验表现 | | 1 | 5×5! M, }# s. T7 h1 b- X
×60 | 原分级淬火：1160～1200℃淬火，540～550℃三次回火 | 67.3～67.9 | 3024 | 切削不久产生均匀崩刃(尺寸10×1)；强度试验时3个试样受力即一端崩掉，表明刀具脆性大，不适合较高速切削，切削参数较低 | | 2 | 5×5: C# y- Y N. v4 N, [7 z
×51 | 同上 | 67.9～68.3 | 2746 | 切削不久产生大块脱层；强度试验时2个试样受力即一端崩掉，表明刀具脆性大，不适合较高速切削，切削参数较低 | | 3 | 5×5' w0 a4 y4 x0 b0 K$ c- S6 E% H
×51 | 同上 | 68～68.4 | 2518 | 切削不久产生11处崩刃(尺寸2×0.3)；不适合较高速切削，切削参数较低 | | 4 | 5×5' R% O! B+ n- O, K) T
×51 | 同上 | 64～64.4 | 3543 | 磨损较快，切削参数较低 | | 5 | 5×5
6 k/ C, B5 K; @! _0 m* R" @×55 | 改进分级淬火：1160～1200℃淬火，540～560℃四次回火 | 67～67.1 | 3429 | 切削时有1处崩刃(尺寸1×0.3)；适合较高速切削，切削参数较高 | | 6 | 5×5
6 x! z% Y9 Y. s6 H, i0 x( j×55 | 等温淬火：1160～1200℃淬火，540～560℃四次回火 | 67～67.1 | 3605 | 切削正常，无崩刃；适应较高速切削，切削参数较高 |
分析试验结果，可得出如下结论： 1 b: F# R5 z5 g; r* \
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1) 采用原分级淬火工艺时，刀具热处理硬度高(68～70HRC)，脆性大，不利于正常切削。
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2 m' }( `3 l1 u5 O j2) 采用改进分级淬火工艺时，刀具热处理硬度在65～67.5HRC之间，使用性能有所改善。
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: O8 @3 b1 E' w+ a3) 采用等温淬火工艺时，淬火过程中奥氏体转变为贝氏体，体积变化小，奥氏体转变为马氏体的数量减少，组织应力减小，经正确回火后，既保持了高速钢刀具所需硬度(65～67.5HRC)，又改善了强度和韧性。在硬度基本相同的情况下，等温淬火刀具的σbb(平均值)比改进分级淬火刀具大约高5.1%。
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$ B* A/ Z: Z3 \, R6 Y! J3 `, v9 G4) M42高速钢立铣刀的硬度超过67.5HRC后，刀具脆性增大，韧性较差，抗弯强度值较低，只适合用于小余量精铣，不适合用于切削力、冲击力较大的粗铣、半精铣及高速切削。如刀具硬度低于65HRC，虽然可适应较大加工范围，抗弯强度值高，韧性较好，但刀具耐磨性差，工作寿命降低，同样不利于高速切削，难以体现出M42高速钢切削速度高、耐磨性好的特点。为使刀具兼有较大加工范围和较理想的切削性能，将刀具硬度控制在65～67.5HRC之间较为适宜，在此硬度范围内，刀具可保持较高的红硬性和耐磨性，而韧性及强度又可得到适当改善，刃口韧性好，不易崩刃，可选取较高切削速度及较大走刀量。
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通过对M42高速钢立铣刀进行抗弯强度试验，分析了刀具材料热处理硬度与韧性之间的内在联系及变化规律，为刀具设计人员提供了合理的刀具硬度范围，对提高刀具使用性能具有重要意义。 |
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发表于 2009-8-8 19:51:57