摘要：通過抗彎強度試驗分析了M42高速鋼刀具的熱處理硬度與韌性之間的關(guān)系，提出采用等溫淬火工藝將M42高速鋼刀具的硬度控制在65～67.5HRC可獲得較佳切削性能。
 
 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(國外牌號)立銑刀經(jīng)分級淬火后硬度達68～70HRC。由于硬度偏高，該刀具切削工件時，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，便會急劇擴展，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 刀具的抗彎強度試驗

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)生和擴展的能力。評定脆性材料韌性的常用方法是抗彎強度試驗(高速鋼刀具經(jīng)淬火后可認為是脆性材料或低塑性材料)。該試驗不受試樣偏斜的影響，可穩(wěn)定測試刀具的抗彎強度值。由于強度與韌性相互關(guān)連，因此抗彎強度值越高，刀具抗脆性斷裂的能力(即韌性)越強。

2.1 試驗方法

由于未查到工具鋼抗彎強度試驗國家標(biāo)準，因此我們根據(jù)材料力學(xué)抗彎強度計算公式自行設(shè)計了M42高速鋼立銑刀的抗彎強度試驗方案，并確定了試樣和跨距支點尺寸。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，將試樣置于萬能材料試驗機上，在試樣三點彎曲狀態(tài)下以緩慢速率對試樣加載，測出其抗彎強度值。

2.2 試樣受力狀態(tài)分析

試驗中，試樣斷面上的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力最大。壓力作用點在兩個支點之間，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)。

在試驗過程中，受壓試樣經(jīng)歷三個階段的變化：①彈性變形階段；②塑性變形階段；③裂紋擴展至斷裂階段。由于脆性材料的塑性變形極小，因此第二階段可忽略不計。

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，裂紋迅速擴展到整個試樣截面，試樣斷裂。彈性變形需要一定能量，裂紋擴張至斷裂也需要一定能量，兩者之和可反映材料從產(chǎn)生裂紋至擴張斷裂的難易程度，因此抗彎強度值可表示阻礙材料裂紋擴張的能力。

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，支點在芯徑內(nèi)切圓上。由于刀具受力狀態(tài)與抗彎試驗狀態(tài)大體相似，因此通過抗彎強度試驗來評定刀具材料韌性較為合理。雖然嚴格地說，抗彎強度試驗與刀具實際工作狀態(tài)仍有不同，如刀具刃口的受力速度、截面大小等均不一樣(抗彎強度試驗是對試樣緩慢加力)，但由于抗彎強度值是表示單位面積所受力的大小，與力的作用速度、刀具截面大小無關(guān)，因此上述差別影響不大。

圖4 刀具刃口受力情況

3 試驗結(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與抗彎強度試驗結(jié)果如表所示。

表 M42高速鋼刀具切削試驗與抗彎強度試驗結(jié)果

分析試驗結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

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

2) 采用改進分級淬火工藝時，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，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)比改進分級淬火刀具大約高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。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。

通過對M42高速鋼立銑刀進行抗彎強度試驗，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)計人員提供了合理的刀具硬度范圍，對提高刀具使用性能具有重要意義。