CN112630080A - 刀具耐磨性能的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种刀具耐磨性能的检测方法，包括：提供由已知材质制备的工件；选取对比刀具，对比刀具与待测刀具具有相同的几何参数；将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件；比较切削工件后待测刀具的后刀面磨损情况与对比刀具的后刀面磨损情况，以确定待测刀具的耐磨性能。本发明通过将待测刀具和对比刀具分别以影响刀具磨损的切削参数切削同样工件，比较切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面磨损情况，从而可以确定待测刀具的耐磨性能，检测方法简单、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及属于刀具领域，尤其涉及一种刀具耐磨性能的检测方法。
背景技术
硬质合金材料作为典型的难加工材料，具有高硬度、高强度、高韧性及耐磨性好等特点。获取高质量的硬质合金表面的技术从曾经的长周期、高成本的机械研磨抛光发展到超精密磨削加工。与磨削相比，超精密切削的加工效率更高、成本更低，加工损伤更小。但是刀具磨损严重的问题制约着硬质合金切削技术的发展，如何检测刀具的耐磨性能以获取合格的刀具成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种刀具耐磨性能的检测方法，该检测方法简单、可靠性较高。
为此，本发明实施例提出了一种刀具耐磨性能的检测方法，包括：提供由已知材质制备的工件；选取对比刀具，对比刀具与待测刀具具有相同的几何参数；将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件；比较切削工件后待测刀具的后刀面磨损情况与对比刀具的后刀面磨损情况，以确定待测刀具的耐磨性能。
根据本发明实施例的一个方面，待测刀具的材质为合成无粘结剂聚晶氮化硼BPcBN。
根据本发明实施例的一个方面，工件的材质为硬质合金。
根据本发明实施例的一个方面，将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件包括：保持刀具前角不变，改变进给量的大小切削预定面积的工件。
根据本发明实施例的一个方面，将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件包括：保持进给量不变，改变刀具前角的大小切削预定长度的工件。
根据本发明实施例的一个方面，将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件包括：保持进给量和刀具前角不变切削预定长度的工件。
根据本发明实施例的一个方面，比较切削工件后待测刀具的后刀面磨损情况与对比刀具的后刀面磨损情况包括：通过金相显微镜测量切削工件后待测刀具的后刀面的磨损带宽和对比刀具的后刀面的磨损带宽；比较两种磨损带宽的大小。
根据本发明实施例的一个方面，比较切削工件后待测刀具的刀面磨损情况与对比刀具的刀面磨损情况还包括：通过扫描电子显微镜检测切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面的磨损形貌。
根据本发明实施例的一个方面，检测方法还包括：通过能谱分析仪测量切削工件后工件表面的元素成分及其含量的变化量。
根据本发明实施例的一个方面，通过能谱分析仪测量切削工件后工件表面的元素成分及其含量的变化量包括：检测钴元素的成分及其含量的变化量。
本发明提供的一种刀具耐磨性能的检测方法，通过将待测刀具和对比刀具分别以影响刀具磨损的切削参数切削同种材质的工件，并比较切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面磨损情况，从而可以确定待测刀具的耐磨性能，检测方法简单、可靠。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1示出本发明实施例提供的一种刀具耐磨性能的检测方法的流程框图；
图2示出待测刀具和对比刀具在不同进给量下的后刀面磨损带宽柱状图；
图3示出待测刀具以第一进给量切削工件后工件表面的能谱图；
图4示出待测刀具以第二进给量切削工件后工件表面的能谱图；
图5示出待测刀具和对比刀具在不同刀具前角下的后刀面磨损带宽柱状图；
图6示出待测刀具以第一刀具前角切削工件后工件表面的能谱图；
图7示出对比刀具以第一刀具前角切削工件后工件表面的能谱图；
图8示出待测刀具切削工件后的后刀面磨损示意图；
图9示出对比刀具切削工件后的后刀面磨损示意图；
图10示出对比刀具处于微崩刃状态下的效果图；
图11示出待测刀具的后刀面磨损能谱分析图；
图12示出对比刀具的后刀面磨损能谱分析。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。
下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
目前，工业上所使用的各向同性、高硬、高韧的聚晶立方氮化硼(PcBN)块材都含有粘结剂，其中主要用到的粘结剂有金属型(Co、Al等)、陶瓷型(Si等)和金属基陶瓷(TiN等)，这些粘结剂的存在可以有效降低合成压力和温度，从而可以在工业上所能达到的压力(≤6GPa)条件下实现生产。但是，金属粘结剂的存在会降低PcBN的热稳定性；而陶瓷粘结剂的加入不仅会使PcBN的硬度降低、刀具的使用寿命缩短，而且其抗热冲击性也会变差，在高速切削过程中容易出现崩刃现象，难以胜任高速硬态干切削的使用性能要求。由于粘结剂的存在，PcBN硬度、断裂韧性和耐热性都不理想，如硬度一般为30GPa左右，断裂韧性为3MPa·m1/2～5MPa·m1/2，抗氧化温度仅有1000℃，制约了其应用。
由此，制备高性能、无粘结剂的PcBN块材成为近年来国内外研究的热点。无粘结剂PcBN即BPcBN块材的制备方法主要是利用六方氮化硼(hBN)、洋葱结构氮化硼(oBN)、立方氮化硼(cBN)、热解氮化硼(pBN)以及它们的混合粉末作为原料，在高温高压下直接烧结成PcBN块材。采用这种无粘结剂的直接转化法可以使得到的BPcBN的各项力学性能得到很大的提升。BPcBN块材具有超高的硬度(>40GPa)，断裂韧性最高可达12MPa·m1/2～15MPa·m1/2，空气中高的热稳定性(约1200℃)，从而展现了广阔的应用前景。
为此，本发明实施例以高性能、无粘结剂的BPcBN块材制造刀具，并提供了该刀具耐磨性能的检测方法。
参阅图1，本发明实施例提出了一种刀具耐磨性能的检测方法，包括：
步骤S1：提供由已知材质制备的工件；
步骤S2：选取对比刀具，对比刀具与待测刀具具有相同的几何参数；对比刀具与待测刀具具有相同形状及相同尺寸的前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖。
步骤S3：将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件；
步骤S4：比较切削工件后待测刀具的后刀面磨损情况与对比刀具的后刀面磨损情况，以确定待测刀具的耐磨性能。
由于待测刀具的材质为无粘结剂的BPcBN，具有超高的硬度，为了验证待测刀具的耐磨性能，可选地，工件的材质为硬质合金(YG6X)。另外，为了验证无粘结剂的BPcBN的耐磨性能，可选地，对比刀具为商业化的无粘结剂BPcBN。进一步可选地，对比刀具的牌号为日本住友NCB100刀具。
本发明实施例提供的一种刀具耐磨性能的检测方法，通过将待测刀具和对比刀具分别以影响刀具磨损的相同的切削参数切削同样的工件，并比较切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面磨损情况，从而可以确定待测刀具的耐磨性能，检测方法简单、可靠。
另外，一般而言，影响刀具磨损的参数主要包括进给量、刀具前角和刀具材料，下面结合实施例分别分析上述参数对待测刀具的磨损性能的影响。
图2示出待测刀具和对比刀具在不同进给量下的后刀面磨损带宽柱状图，图3示出待测刀具以第一进给量切削工件后工件表面的能谱图，图4示出待测刀具以第二进给量切削工件后工件表面的能谱图。
请一并参阅图2至图4，作为一种可选的实施方式，步骤S3中，将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件包括：
步骤S31：保持刀具前角不变，改变进给量的大小切削预定面积的工件。
举例来说，硬质合金(YG6X)工件的切削工艺参数为：固定待测刀具或者对比刀具的主轴转速为4000r/min，切削深度为3μm，刀具前角均为0°，分别以进给量为1μm/r和2μm/r切削预定面积的硬质合金(YG6X)工件。
步骤S4中，比较切削工件后待测刀具的刀面磨损情况与对比刀具的刀面磨损情况包括：
通过金相显微镜测量切削工件后待测刀具的后刀面的磨损带宽和对比刀具的后刀面的磨损带宽，并比较两种磨损带宽的大小。可选地，也可以采用扫描电子显微镜分别对待测刀具和对比刀具的后刀面磨损形貌。本发明实施例以金相显微镜测量切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面磨损带宽为例进行说明。
如图2所示，分别对步骤S31中不同进给量下的刀具后刀面的磨损带宽VB进行测量，结果如下：在进给量为1μm/r时，待测刀具的后刀面的磨损带宽为24μm，对比刀具的后刀面的磨损带宽为38.7μm；在进给量为2μm/r时，待测刀具的后刀面的磨损带宽为18.5μm，对比刀具的后刀面的磨损带宽为27.6μm。
可见，在进给量为1μm/r和2μm/r时，待测刀具的后刀面的磨损带宽均小于对比刀具的后刀面的磨损带宽，且随着进给量的增大，待测刀具的后刀面的磨损带宽和对比刀具的后刀面的磨损带宽均增大，但待测刀具的后刀面的磨损带宽的变化量(5.5μm)小于对比刀具的后刀面的磨损带宽的变化量(11.1μm)。
由此，通过对比磨损带宽VB的数值，可以得到待测刀具在不同的进给量下后刀面刀具的磨损带宽要比对比刀具的后刀面磨损带宽要小。
可以理解的是，本发明实施例提供的刀具磨损性能的检测方法还可以采用其他进给量参数切削预定面积的工件，不限于本实施例提到的参数，并且可以比较更多组不同的进给量下待测刀具与对比刀具的后刀面磨损带宽，以提高检测方法的可靠性，不再赘述。
进一步地，刀具与工件材料在足够大压力和高温作用下，产生的"冷焊"现象即为粘结磨损，是摩擦面的新鲜表面原子间吸附的结果。两摩擦表面的粘结点因相对运动将被撕裂而被对方带走。若粘结点的破裂发生在刀具一方，则造成了刀具磨损。粘结磨损的程度与温度、压力和材料之间的亲和力有关。切削温度是影响粘结磨损的主要因素。切削温度越高，粘结磨损越严重。
另外，由于切削过程中产生的切削温度高，而且刀具表面始终与被切出的切屑和工件的新鲜表面相接触和摩擦，它们具有巨大的化学活动性，所以两摩擦面的化学元素有可能相互扩散，因而使双方的化学成分都发生变化，削弱了刀具材料的切削性能，从而加速刀具的磨损。由此，可以通过检测切削后工件表面的元素成分及其含量的变化量来确定待测刀具的磨损情况。
为了进一步分析待测刀具的磨损形式，本发明实施例提出的一种刀具耐磨性能的检测方法还包括：
步骤S5：通过能谱分析仪测量切削工件后工件表面的元素成分及其含量的变化量。
进一步地，通过能谱分析仪测量切削工件后工件表面的元素成分及其含量的变化量包括检测钴元素的成分及其含量的变化量。
具体来说，如图3和图4所示，正常情况下硬质合金(YG6X)工件表面钴元素(Co)的含量应该是6％左右，切削硬质合金(YG6X)工件后表面Co元素的含量变化很大。例如，采用待测刀具进给量为1μm/r切削后工件表面能谱检测含Co元素为35％，进给量为2μm/r切削后工件表面能谱检测含Co元素为20％。
另外，待测刀具以不同进给量切削工件后，工件表面还分别检测出了B、C、N元素，如进给量为1μm/r时，工件表面B、C、N的含量分别为1％、5％和13％，而进给量为2μm/r时，工件表面B、C、N的含量分别为1％、3％和1％，工件表面的化学元素扩散较小。
可见，不同进给量的情况下待测刀具切削硬质合金的工件后均发生了粘结磨损，而选择较小的进给量，待测刀具的粘结磨损相对小些。
图5示出待测刀具和对比刀具在不同刀具前角下的后刀面磨损带宽柱状图，图6示出待测刀具以第一刀具前角切削工件后工件表面的能谱图，图7示出对比刀具以第一刀具前角切削工件后工件表面的能谱图；
请一并参阅图5至图7，作为一种可选的实施方式，将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件包括：
步骤S32：保持进给量不变，改变刀具前角的大小切削预定长度的工件。
举例来说，硬质合金(YG6X)工件的切削工艺参数为：固定待测刀具或者对比刀具的主轴转速为4000r/min，切削深度为3μm，进给量为2μm/r，分别以第一刀具前角为0°和第二刀具前角为-15°切削预定长度的硬质合金(YG6X)工件。可选地，可以通过金相显微镜分别测量切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面的磨损带宽，比较切削工件后待测刀具的后刀面的磨损带宽与对比刀具的后刀面的磨损带宽的大小。可选地，也可以采用扫描电子显微镜分别对待测刀具和对比刀具的后刀面磨损形貌。本发明实施例以金相显微镜测量切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面磨损带宽为例进行说明。
如图5所示，在第一刀具前角为0°时，待测刀具后刀面的磨损带宽为18.5μm，对比刀具后刀面的磨损带宽为27.6μm，在第二刀具前角为-15°时，待测刀具后刀面的磨损带宽为57μm，对比刀具后刀面的磨损带宽为83.7μm。
可见，在第一刀具前角为0°和第二刀具前角为-15°时，待测刀具的后刀面的磨损带宽均小于对比刀具的后刀面的磨损带宽，且随着刀具前角的绝对值的增大，待测刀具的后刀面的磨损带宽和对比刀具的后刀面的磨损带宽均增大，但待测刀具的后刀面的磨损带宽的变化量(38.5μm)小于对比刀具的后刀面的磨损带宽的变化量(56.1μm)。
由此，通过对比磨损带宽VB的数值，得到待测刀具在不同的刀具前角下后刀面刀具的磨损带宽要比对比刀具的后刀面磨损带宽要小。并且，选刀具前角越小，待测刀具的磨损相对小些。
可以理解的是，本发明实施例提供的刀具磨损性能的检测方法还可以采用其他刀具前角参数切削预定长度的工件，不限于本实施例提到的参数，并且可以比较更多组不同的刀具前角下待测刀具与对比刀具的磨损带宽，以提高检测方法的可靠性，不再赘述。
另外，为了进一步分析待测刀具的磨损形式，本发明实施例提出的一种刀具耐磨性能的检测方法还包括如前所述的步骤S5：通过能谱分析仪测量切削工件后工件表面的元素成分及其含量的变化量。
具体来说，如图6和图7所示，正常情况下所述硬质合金(YG6X)工件表面的Co的含量应该是6％左右，切削后工件表面检测分析可以得出切削后硬质合金(YG6X)工件表面Co元素的含量变化很大。例如，采用待测刀具前角为0°时切削后工件表面能谱检测含Co元素为20％，而对比刀具在刀具前角为0°时切削后工件表面能谱检测含Co元素为22％。
另外，待测刀具和对比刀具以刀具前角为0°切削工件后，工件表面还分别检测出了B、C、N元素，如待测刀具BPcBN切削工件后，工件表面B、C、N的含量分别为1％、3％和1％，而对比刀具NCB100切削工件后，工件表面B、C、N的含量也分别为1％、3％和1％。
可见，同样的刀具前角情况下，对比刀具切削硬质合金的工件后粘结磨损相对严重一些，而待测刀具的粘结磨损相对较小，耐磨性能较优。
为了进一步比较待测刀具和对比刀具的耐磨性能，本发明实施例还提供了一种刀具耐磨性能的检测方法，下面结合附图详细描述。
图8示出待测刀具切削工件后的后刀面磨损示意图，图9示出对比刀具切削工件后的后刀面磨损示意图，图10示出对比刀具处于微崩刃状态下的效果图，图11示出待测刀具的后刀面磨损能谱分析图，图12示出对比刀具的后刀面磨损能谱分析。
请一并参阅图8至图12，作为一种可选的实施方式，将待测刀具和对比刀具分别以相同的切削参数切削工件包括：保持进给量和刀具前角不变切削预定长度的工件。
举例来说，硬质合金(YG6X)工件的切削工艺参数为：固定待测刀具或者对比刀具的主轴转速为4000r/min，切削深度为3μm，进给量为2μm/r，刀具前角均为0°，切削预定长度的硬质合金(YG6X)工件。
如前所述的步骤S4中，比较切削工件后待测刀具的刀面磨损情况与对比刀具的刀面磨损情况包括：通过扫描电子显微镜检测切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面的磨损形貌。可选地，也可以通过金相显微镜分别测量切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面的磨损带宽。本发明实施例以扫描电子显微镜检测切削工件后待测刀具和对比刀具的后刀面的磨损形貌为例进行说明。
如图8至图10所示，采用扫描电子显微镜分别对不同刀具材料下的刀具后刀面磨损进行观察。图8是采用待测刀具进行切削后的刀具后刀面的磨损情况，可以观察到主切削刃口磨损严重，后刀面磨损均匀整齐，切削刃口未发现很深的沟痕，说明待测刀具切削工件材料时的主要磨损是后刀面与材料的摩擦磨损，未发生边界磨损，其后刀面磨损有一些沟槽显示，说明刀具有沟槽磨损。
图9是采用对比刀具进行切削后的刀具后刀面的磨损情况，可以发现后刀面磨损很严重，并且在高放大倍数下可以发现后刀面磨损部位有一些划痕，是一种沟槽磨损。另外，如图10中的方框所示，对比刀具刀尖后刀面出现了细小的崩刀。
通过待测刀具和对比刀具在同种条件下的对比，进一步说明进行硬质合金YG6X工件的切削时，采用待测刀具，工件的切削表面质量更好。
为了进一步分析待测刀具的磨损形式，本发明实施例提出的一种刀具耐磨性能的检测方法还包括：
步骤S5：通过能谱分析仪测量切削工件后工件表面的元素成分及其含量的变化量。
具体来说，如图11和图12所示，通过能谱分析仪检测切削后待测刀具和对比刀具的后刀面磨损处表面元素成分，发现刀尖磨损部位检测到含有Co这种元素，其中对比刀具刀尖磨损部位显示的Co的含量为6％，待测刀具磨损处的Co的含量为3％，表明采用待测刀具进行硬质合金切削时，不易发生粘结磨损。
本发明实施例提供的一种刀具耐磨性能的检测方法，通过检测影响刀具磨损的三个主要参数进给量、刀具前角和刀具材料对待测刀具及对比刀具的磨损性能的对比分析，可以检测出无粘结剂BPcBN待测刀具的耐磨性能要优于对比刀具NCB100，该待测刀具可以切削超高硬度的硬质合金(YG6X)工件，有利于促进硬质合金切削技术的发展，具有广阔的市场应用价值。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种刀具耐磨性能的检测方法，其特征在于，包括：
提供由已知材质制备的工件；
选取对比刀具，所述对比刀具与待测刀具具有相同的几何参数；
将所述待测刀具和所述对比刀具分别以相同的切削参数切削所述工件；
比较切削所述工件后所述待测刀具的后刀面磨损情况与所述对比刀具的后刀面磨损情况，以确定所述待测刀具的耐磨性能。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述待测刀具的材质为合成无粘结剂聚晶氮化硼BPcBN。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述工件的材质为硬质合金。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述将所述待测刀具和所述对比刀具分别以相同的切削参数切削所述工件包括：
保持刀具前角不变，改变进给量的大小切削预定面积的所述工件。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述将所述待测刀具和所述对比刀具分别以相同的切削参数切削所述工件包括：
保持进给量不变，改变刀具前角的大小切削预定长度的所述工件。
6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述将所述待测刀具和所述对比刀具分别以相同的切削参数切削所述工件包括：
保持进给量和刀具前角不变切削预定长度的所述工件。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述比较切削所述工件后所述待测刀具的后刀面磨损情况与所述对比刀具的后刀面磨损情况包括：
通过金相显微镜测量切削所述工件后所述待测刀具的后刀面的磨损带宽和所述对比刀具的后刀面的磨损带宽，比较所述两种磨损带宽的大小。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述比较切削所述工件后所述待测刀具的刀面磨损情况与所述对比刀具的刀面磨损情况包括：
通过扫描电子显微镜检测切削所述工件后所述待测刀具和所述对比刀具的后刀面的磨损痕迹。
9.根据权利要求1至8任一项所述的检测方法，其特征在于，还包括：
通过能谱分析仪测量切削所述工件后所述工件表面的元素成分及其含量的变化量。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述通过能谱分析仪测量切削所述工件后所述工件表面的元素成分及其含量的变化量包括检测钴元素的成分及其含量的变化量。
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