USS122G超高强度不锈钢高速干切削车削过程中各种切削刀具的热机械响应及磨损失效机制

《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》：Thermo-mechanical responses and wear failure mechanisms of various cutting tools during high-speed dry turning of USS122G ultra-high-strength stainless steel

　　

# 摘要

USS122G是一种新型超高强度不锈钢，在航空航天承载构件领域展现出巨大潜力，但其在高速车削加工中的刀具性能及主要磨损与失效机制仍不明确。在相同车削条件（切削速度vc = 200 m/min，进给量f = 0.2 mm/rev，切削深度ap = 0.5 mm）下，对Si3N4、PCBN和Al2O3/TiCN三种刀具进行了对比实验。评估了切削力、切削温度及刀具磨损情况。结果表明，所有Si3N4刀片在切削距离达到85 m后均出现严重的切削刃损伤，平均最大后刀面磨损量（VBmax）为1012.1 μm，表观切削温度为602.9 °C，且切削力波动剧烈。Si3N4的失效特征表现为脆性剥落、刃口崩缺以及局部工件材料转移。PCBN刀具可持续切削至255 m，但其平均VBmax从85 m时的106.7 μm增至255 m时的527.3 μm，表观切削温度也从483.0 °C升至524.8 °C。其磨损涉及前刀面坑状损伤、局部材料转移以及以后刀面磨粒磨损为主的磨损。相比之下，Al2O3/TiCN刀具展现出最低的切削力，稳定的表观温度（438.5–447.2 °C），且在切削255 m后平均VBmax仅为81.3 μm。在最大研究切削距离255 m处，所有Al2O3/TiCN刀片均低于300 μm的磨损判据。这些结果表明，Al2O3/TiCN在USS122G高速干切削中具有优异的力学-热稳定性及刃口保持能力，为加工这种超高强度不锈钢的刀具选择提供了实用指导。

# 引言

超高强度不锈钢（UHSS）凭借其高强度、耐腐蚀性和服役可靠性，在轻量化、高可靠性和长寿命先进装备领域受到越来越多的关注。通过马氏体微观组织强化、多组分合金化及热处理控制，UHSS能在保持一定塑性、韧性和耐腐蚀性的同时维持高强度和高硬度[1]、[2]。因此，UHSS在飞机起落架、机身连接件、紧固件、传动承载部件及高压海洋工程构件中具有广阔的应用前景[3]、[4]。

USS122G是中国自主设计开发的一种新型超高强度耐腐蚀不锈钢，含有Cr、Co、Mo、Ni、W和V等多种合金元素，在先进航空航天装备的轻量化设计和长寿命服役方面具有相当大的潜力[5]、[6]。然而，现有研究主要集中于其成分设计、熔炼与制备、腐蚀行为、摩擦学性能及疲劳性能[7]、[8]，尚未对其切削行为和刀具磨损演化进行系统研究。刀具寿命、切削稳定性及加工表面完整性直接影响关键构件的制造质量和服务安全性[9]、[10]。因此，研究USS122G超高强度耐腐蚀不锈钢的切削性能和刀具失效机制对于理解其可加工性及其在先进装备中的工程应用具有重要意义。

然而，如此优异的服役性能往往伴随着较差的可加工性。对于以USS122G为代表的UHSS，其卓越强度和较高的硬度显著增加了材料去除过程中的剪切变形抗力，导致刀具-工件界面处存在较高的法向压力和摩擦应力。同时，切削区域发生严重的塑性变形和应变硬化，进一步增大切削载荷并加剧切削刃附近的应力集中[11]、[12]、[13]。此外，UHSS通常具有较低的热导率。低热导率限制了热量散发，导致主变形区、刀具-切屑界面和刀具-工件界面形成局部高温区域[14]、[15]、[16]。在高速干切削条件下，高强度、低热导率和剧烈摩擦的耦合作用导致切削力、切削温度和界面接触状态出现强烈波动，使刀具处于涉及高温、高压和冲击载荷的复杂服役环境中。因此，前刀面易发生切屑粘附和积屑瘤形成以及坑状磨损，而后刀面则容易产生沟槽磨损、磨粒划伤和粘着剥落[17]、[18]、[19]。在局部热冲击和机械冲击的共同作用下，刃口微崩缺甚至刀具突然失效也可能发生[20]、[21]、[22]。因此，USS122G的高效稳定加工不仅取决于切削参数的选择，还强烈依赖于刀具材料承受耦合力学-热载荷的能力。

目前对UHSS可加工性的研究主要集中在300M、AerMet100和17-4pH等典型材料上[23]、[24]。以往研究广泛考察了切削力、切削温度、刀具磨损、表面完整性以及冷却/润滑策略[25]、[26]、[27]。对不同冷却条件下UHSS铣削的研究表明，刀具磨损演化伴随着切削力、表面质量和切屑形貌的变化[28]。刀具材料是影响UHSS高速加工中切削稳定性、加工质量和刀具寿命的关键因素。由于UHSS的优异强度、高硬度、低热导率和明显加工硬化倾向，切削过程对刀具材料的耐磨性、耐热性、冲击韧性和抗粘着性能提出了严格要求[29]、[30]、[31]。陶瓷刀具凭借其高硬度、优异的高温稳定性和良好的化学稳定性，被认为是UHSS高速切削的重要刀具候选材料[32]。其中，Al2O3基陶瓷刀具通常表现出高耐磨性、抗氧化性和化学稳定性，能在高温干切削条件下保持良好的切削刃稳定性[33]。引入TiCN相可进一步提高硬度、热导率和抗磨粒磨损能力。因此，Al2O3/TiCN复合陶瓷刀具在高速钢的半精加工和精加工中展现出相当大的应用潜力[34]、[35]。据报道，成分梯度TiB2–TiC–Al2O3陶瓷刀具可抑制裂纹扩展，减少硬钢断续车削中的崩刃和断裂[36]。Si3N4基陶瓷刀具，特别是β-Si3N4增韧或硅铝氧氮化物（SiAlON）陶瓷刀具，通常具有高断裂韧性、良好的抗热震性和较强的抗机械冲击性。因此，它们在难加工材料的断续或高温切削中显示出优势[37]、[38]、[39]。对于SiAlON刀具的断续车削，研究发现刀具几何形状和冲击/热应力会影响后刀面磨损和刀具寿命[40]。

除陶瓷刀具外，PCBN刀具凭借其高硬度、优异的耐热性和化学惰性，被广泛应用于硬钢、高强钢和铸铁的高速精加工[41]、[42]。与硬质合金和传统陶瓷刀具相比，PCBN刀具能在高温下保持高硬度和尺寸稳定性，因此常用于硬车削作为磨削的替代方案。在17-4pH马氏体不锈钢的车削过程中，PCBN刀具在较低切削速度下表现为粘着磨损，而在较高速度下氧化和扩散相关的退化更为明显[43]。使用CBN刀片对硬化X20Cr13不锈钢进行干式精车削的研究也表明，所得表面形貌受所选切削参数的强烈影响[44]。因此，尽管PCBN是加工高强钢的重要候选刀具材料，但其对USS122G等新型超高强度耐腐蚀不锈钢的适用性仍需进一步验证。更重要的是，为常规高强度不锈钢建立的刀具选择原则能否直接适用于成分、强度水平和力学-热响应均不同的USS122G仍不清楚。

综上所述，Si3N4、PCBN和Al2O3/TiCN均具有高速切削难加工钢的理论潜力，但它们在力学-热响应、抗粘着能力和刃口保持能力方面存在差异。特别是对于USS122G等新型超高强度耐腐蚀不锈钢，在相同高速干切削条件下对这些刀具材料的系统对比研究仍然缺乏。本研究解决的关键科学问题是：在所有其他切削变量保持恒定时，不同的刀具材料性能组合如何控制力学-热响应以及稳定切削、渐进磨损和灾难性失效之间的转变。

因此，本研究选用Si3N4、PCBN和Al2O3/TiCN刀具对USS122G进行对比高速干切削实验。通过分析三分量切削力、切削温度、后刀面磨损、宏观及微观磨损形貌，并结合前刀面和后刀面上的能量色散X射线能谱（EDS）元素分布，阐明了三种刀具材料切削稳定性、磨损速率和失效行为不同的原因。这为USS122G高速加工中合适刀具材料的选择提供了直接依据，并为评估其他高强钢中报道的刀具选择趋势是否适用于该新材料提供了参考。研究结果为USS122G超高强度不锈钢高速车削中的刀具选择、磨损控制和后续切削参数优化提供了实验证据和理论指导。

# 实验过程

本研究采用USS122G超高强度不锈钢作为工件材料。工件为经正火和高温回火处理的锻件。USS122G的代表性微观组织和EDS元素分布如图1所示。观察区域内含有大量细分散布颗粒及少量相对粗大颗粒分布于基体中。元素分布图显示Fe为基体的主要元素。

# 切削力

使用三种刀具对USS122G进行干式高速车削时记录的力分量演化及典型时域信号如图4所示。

在L = 85 m处，Si3N4刀具的三分量切削力最高，Fx、Fy和Fz分别达到248.9 N、373.3 N和173.2 N。这些数值明显高于PCBN和Al2O3/TiCN刀具的测量值。特别是较高的平均Fy分量表明Si3N4刀具受到……

# 结论

以USS122G超高强度不锈钢为工件材料，评估了Si3N4、PCBN和Al2O3/TiCN刀具的高速干切削性能。在相同加工条件下系统分析了力响应、热行为、后刀面磨损、磨损特征和失效机制。主要发现总结如下：

（1）在相同加工条件下，刀具材料强烈影响切削稳定性。在85 m处，Si3N4刀具产生……

# CRediT作者贡献声明

Jianhao Peng：原创文稿撰写、可视化、资金获取。Biao Zhao：文稿审阅与编辑、监督指导、项目管理、形式分析。Xiaole Hang：原创文稿撰写、软件、调查、数据管理。Poppy Puspitasari：文稿审阅与编辑、方法论、形式分析。Alief Muhammad：软件、调查、形式分析。Hussein Hanibah：验证、软件、调查。Wenfeng Ding：文稿审阅与编辑、可视化。

# 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

# 致谢

本工作得到国家自然科学基金（批准号：52575504）和江苏省研究生科研与实践创新计划（批准号：KYCX24_0549）的资助。

Jianhao Peng | Biao Zhao | Xiaole Hang | Poppy Puspitasari | Alief Muhammad | Hussein Hanibah | Wenfeng Ding

南京航空航天大学机电工程学院，中国南京 210016