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立方氮化硼刀片车削粉末高温合金的刀具磨损
作者:任敬心 吴小玲 张研 杨茂奎
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车刀/镗刀展厅
车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ...
粉末高温合金与其他的铸造和变形高温合金相同,含有许多高熔点合金元素,例如,FGH95(FG02-01)粉末高温合金就含有铬、钴、钼、铌、镍、铁、钽等。这种粉末高温合金是先将合金制成粉末,经热等静压成形,再经锻造而制成的。粉末高温合金的g'相含量约为50%(体积),组织均匀,晶粒细小,屈服强度高,抗疲劳性能好,可用于制造涡轮发动机的涡轮盘等。由于g'相含量高,且弥散分布于晶粒间,使粉末高温合金得到很大的强化效应,且在相当高的温度范围内,随温度升高,其硬度反而有所提高,使切削加工性很差。车削时,若采用硬质合金刀具,则刀具磨损十分严重,为此,国内外相继研究采用新刀具材料加工粉末高温合金,与YD15和YG10HT等硬质合金刀片的切削寿命相比,立方氮化硼(CBN)刀片的切削寿命可提高很多倍。试验结果表明,CBN刀片是精车、半精车粉末高温合金的一种理想的刀具材料。

1 试验用CBN刀片及刀具几何参数

1) CBN刀片

目前所用的CBN 刀片有CBN聚晶体型和CBN与硬质合金的复合聚晶型,前者称作聚晶CBN刀片,后者称作复合聚晶CBN刀片。复合聚晶CBN刀片的基底是硬质合金(图1),其目的是使刀片既有超硬层的高硬度,又有硬质合金相对较高的韧性,并可节约昂贵的超硬材料。CBN刀片的切削性能优越,不仅可用来加工淬硬的材料,而且可加工其他难加工材料。


图1 复合聚晶CBN刀片(GE6000)

本课题采用了图1所示的美国通用电器公司(GE)生产的复合聚晶CBN刀片(以下简称CBN刀片),其牌号为GE6000,其中含有96%的CBN及4%的Co。CBN基底为硬质合金(WC+Co),在高温高压条件下,Co从扩散源(硬质合金)基体出发,沿CBN晶界形成Co网络。提高这种CBN刀片质量的关键是减小CBN层与硬质合金层之间的应力差。

图2示出CBN 聚晶体的扫描电镜图片,可明显看出类同水泥地龟裂的晶界。晶界处富集着“杂质组元”,因而在切削力冲击作用下,CBN刀片会发生颗粒剥落或微崩刃。由此看出,使用CBN刀片切削时,机床刚度应较高,而且切削过程中的切削力应基本稳定。


图2 CBN聚晶体扫描电镜图片(×3 500)

2) 车削FGH95粉末高温合金的刀具几何参数刀具几何参数对CBN刀片的切削寿命有很大影响。刀具宜取负前角,对于精车刀具,可用0°~-10°;对于半精车刀具可超过-10°;。刀具后角可在6°~12°范围内选取。为了增强刀刃,可采用负倒棱和刀尖圆弧,负倒棱宽度br1可取0.1mm,负前角γr1可取-10°~-20°,刀尖圆弧半径γδ可取0.5~1mm。

本项试验所采用的CBN刀具的几何参数见图3。由于机夹刀具的刀夹底面倾斜6°,故实际的工作前角γ0=-6°,实际的工作后角α0=6°,实际的负倒棱前角γ01=-21°。


图3 车削FGH95时采用的CBN刀具几何参数

2 车削粉末高温合金的刀具磨损特征

用硬质合金刀具车削粉末高温合金时,刀具磨损剧烈,很快失效。刀具的磨损形貌见图4(工件材料:FGH95;刀片材料:YT726;切削用量:v=15m/min,ap=0.2mm,f=0.1mm/r)。图4(a)示出后刀面磨损,既包含了主后刀面磨损,又包含了副后刀面磨损,因而在刀尖区形成了三角形磨损带,后刀面磨损值VB=0.15mm,该磨损值是在刀片的切削路程l仅为3.6m的条件下形成的;图4(b)示出硬质合金刀尖塌陷的形貌,这是由于在较大切削力和切削温度作用下,刀片表面层出现塑性变形而造成的;图4(c)示出刀具前刀面的磨损凹坑,硬质合金已崩碎,而且因刀具表面与粉末高温合金粘结的原因,使硬质合金微粒随切屑一同带走,形成了刀具材料的局部剥落,切削刃已呈现须状崩碎纹。由此可见,用硬质合金刀片车削粉末高温合金的刀具磨损是相当严重的,在经历很短的切削路程条件下,也难以保证必要的加工精度。


(a)后刀面磨损(×400) (b)刀尖塌陷(×650) (c)前刀面破碎磨损凹坑(×300)
图4 硬质合金刀片车削粉末高温合金的磨损形貌

用CBN刀片车削粉末高温合金时,刀具磨损量很小,若在扫描电镜下观察刀具后刀面,可发现刀刃并无缺损,仅沿主刀刃和副刀刃处有一条白带,见图5(工件材料:FGH95;刀具材料:GE6000;切削用量:v=70m/min,ap=0.2mm,f=0.1mm/r;切削距离l=151m)。图中右边示出CBN刀片车削FGH95粉末高温合金时形成的带状切屑。这条白带是一层粘附物,是粘结在刀具表面上的粉末高温合金材料,呈层叠云雾状。主后刀面和副后刀面的粘附物形态示于图6(切削条件与图5相同)。从整体上看,CBN车刀车削粉末高温合金的后刀面粘附与硬质合金车削时不同,CBN车刀的粘附物较少,只有极薄的一层,而且粘附宽度很窄。图示的粘附物宽度不大于100µm;硬质合金车刀的粘附量则较大,接触区的粘结层已产生周期性局部破坏。


图5 CBN刀片车削粉末高温合金的后刀面扫描电镜图片(×200)


(a)主后刀面粘附(×700) (b)副后刀面粘附(×700)
图6 CBN刀片车削粉末高温合金的后刀面粘附物形貌

3 CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损机理

用具有负前角和负倒棱的CBN刀片车削FGH95粉末高温合金时,切屑呈暗红色的“半熔态”,沿副刀刃方向流出,切削温度很高。在高温高压作用下,CBN刀片不仅易与粉末高温合金材料相互粘结,造成粘结磨损,而且会出现氧化磨损和相变磨损;若受到冲击力,还会产生CBN颗粒剥落和微崩刃。

1) CBN刀片的粘结磨损

切削过程中,CBN刀片前、后刀面的摩擦区里,存在微观突出点的接触,这些接触点的接触压强很高,从而破坏了刀具表面上形成的氧化膜,使刀具表面与被加工粉末高温合金之间容易产生粘结现象。如果在CBN和粉末高温合金内同时发生断裂,就产生了磨损粉末,生成粘结磨损。粘结磨损是压力和温度的函数。出现粘结磨损时,粘结层会产生周期性局部破坏,导致CBN表层材料的疲劳破坏,形成微粒状脱落。另外,在高温条件下,CBN的惰性不断降低,刀片与粉末高温合金材料合金元素间的亲和倾向不断增加,也创造了粘结的条件。粉末高温合金中的Ni,Cr,Mo,Co,Ti等元素含量较高,在一定的切削温度和压力作用下,极易与CBN发生亲和作用。当刃前区的切削温度达到1200℃左右时,局部CBN颗粒将呈现“半融熔”状,此时的粘结磨损更加剧烈。

图7,8(v=70m/min,ap=0.2mm,f=0.1mm/r)分别示出CBN刀片主后刀面和副后刀面的粘结形貌,其中,图(a)是刃区全貌,图(b)为刃区局部放大形貌。由图7可见,沿CBN刀片的后刀面有明显的粘附物,在靠近负倒棱处,粘附物呈条纹状,且伴有粘屑。由图8可以看出,沿副后刀面的粘附量并不小于沿主后刀面的粘附量,粘附物呈层叠云雾状,充分表明这种粘附物是不断积累而形成的。


(a)刃区粘附全貌(×220) (b)刃区粘附局部放大(×700)
图7 CBN刀片主后刀面的粘附物形貌


(a)刃区粘附全貌(×250) (b)刃区粘附局部放大(×770)
图8 CBN刀片副后刀面的粘附物形貌

2) CBN刀片的氧化磨损和相变磨损

刀片具有优异的切削性能,不仅有较高的硬度和热稳定性,而且对铁族元素有高化学惰性,但是,在一定条件下,会发生立方氮化硼(CBN)向结构与石墨相似的六方氮化硼(HBN)的转化,即CBN→HBN的转化,刀刃处转化为HBN的那一部分将降低硬度,失去切削能力。上述的这种相变发生在一定温度条件下,例如,当切削温度达到1000~1200℃,在空气气氛下切削时,就可能出现CBN向HBN的转化。

用CBN刀片切削时,即使切削温度未达到CBN→HBN的转化温度,也会产生氧化和放氮现象,其反应式为

BN(CBN)→[N]+[B]
[N]+[N]→N2↑

在切屑流的强烈摩擦与热冲击作用下,CBN表面形成的氧化膜将会很快为摩擦所破坏,造成氧化磨损。

相变磨损和氧化磨损的结果使CBN的活性增强,惰性下降,切削能力变差。

3) CBN刀片表面的颗粒剥落和微崩刃

由于CBN刀尖是由无数细小的CBN颗粒构成的,晶界处富集的“杂质组元”相当于一种“精细裂纹”,因而大大降低了晶界强度,而且存在不均匀的内应力,使刃口部位的微观强度也不均匀。当热切屑流通过刀尖流经前刀面时,不仅会产生高温摩擦,而且会产生微冲击和加工振动,这就有可能使CBN颗粒剥落,并出现微崩刃。CBN刀刃及前、后刀面的这种磨损形式是高硬度聚晶所特有的。

当用扫描电镜观察已被粉末高温合金热切屑流滑擦并产生CBN颗粒剥落的CBN刀片前刀面时,可以看到刀刃已有缺损,而且靠近刀刃的前刀面处有剥落层,见图9(v=70m/min,ap=0.2mm,f=0.1mm/r)。其中,图(a)为刀刃处全貌,图(b)为刀刃与切屑作用区的放大形貌。


(a)刀刃处全貌(×110) (b)刀刃与切屑作用区的放大形貌(×200)
图9 CBN刀刃的缺损及CBN颗粒的剥落形貌

4 车削粉末高温合金时CBN与硬质合金刀具磨损的比较

与硬质合金相比,CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损量要小得多,因而CBN刀片的加工精度可以得到保证。

当采用YT726硬质合金,以切削速度v=15m/min、切削深度ap=0.2mm、进给量f=0.1mm/r的切削用量车削FGH95粉末高温合金,切削路程仅为3.6m时,后刀面磨损量VB=0.15mm,此时车刀的径向磨损量为0.016mm,反映在工件直径上的变化量dd=0.032mm。

若采用CBN刀片车削粉末高温合金,切削路程l与后刀面磨损量VB的关系曲线见图10(工件材料:FGH95;刀具:GE6000,CBN刀片;切削用量:v=70m/min,ap=0.2mm,f=0.1mm/r)。切削路程l=3.6m时,后刀面磨损量几乎测量不出,最大估计值VB=0.004mm。此时,由于后刀面磨损反映在工件直径上的变化量dd=0.0008mm,即在短时间车削中,工件直径变化量不到1µm。


图10 切削路程l与后刀面磨损量VB的关系曲线

结论

用CBN车刀半精车或精车粉末高温合金材料是可行的,与硬质合金相比,不仅加工质量高,而且刀具寿命显著提高。

由于粉末高温合金材料中的Ni,Gr,Mo,Ti,Nb等元素在一定的切削温度作用下与CBN刀片表面有较强的亲合作用,因而发生较明显的粘结。粘结会形成刀具表面的微粒脱落,造成粘结磨损。

当切削温度达到1000~1200℃时,刀具表面会产生氧化与放氮现象,过高的温度还会产生CBN→HBN的转化,使CBN刀刃失去切削能力。为此,在采用CBN刀具切削时,必须注意选择合适的切削用量和刀具几何参数,使切削温度不致过高。

由于CBN刀刃处会产生颗粒剥落和微崩刃,因此必须控制切削力和切削振动,并选用刚性较好的机床。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (8/31/2005)
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