陶瓷圆刀片车削GH4169机理研究及工艺优化 - 文章

陶瓷圆刀片车削GH4169机理研究及工艺优化

作者：哈尔滨汽轮机厂詹春辉

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随着我国国防工业、航空航天的迅速发展，高温合金、钛合金等难加工材料在这些领域的应用越来越广泛。高温合金是在600~1200℃高温、保持优良力学性能的条件下依然可以长时间工作的材料，并且可以承受复杂的应力。该材料具有良好的机械疲劳和热疲劳性能，也具有良好的塑性和冲击韧性。但是高温合金属于难加工材料，在切削加工过程中若条件选择不当，易出现刀具磨损过快、加工质量较差等问题[1]。由于具有良好的切削稳定性，晶须增韧陶瓷刀片在高温合金的切削中得到越来越广泛的应用。但是作为切削高温合金的一种新型刀具，其切削机理还未得到充分阐述。为此，本文通过切削机理的研究，得出了陶瓷刀具切削高温合金的最佳工艺条件。

高温合金和陶瓷刀具的材料属性

高温合金主要分为铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金，其中以镍基高温合金的应用最为广泛。镍基高温合金材料的主要成分为镍，以GH4169为例，其镍的含量为50%~55%，其余主要元素有Fe、Cr、Nb 等[2]。

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图1 试验台现场

现在切削高温合金的刀具材料多为涂层和非涂层硬质合金，但是存在较多问题，比如刀具磨损严重[3]、一般切削速度低于100mm/min[4]。陶瓷刀具磨损能力较强，热稳定性好，尤其在1200~1400℃，硬度仍然能达到80HRA[5]，其抗磨损的能力相当，抗弯强度较强，而价格相对较低，陶瓷刀具的性价比更高些。高温合金对刀具的磨损主要表现为月牙洼磨损[6]，陶瓷刀具的抗月牙洼磨损的能力较强。

陶瓷刀片车削高温合金试验系统

本研究车削试验现场布置如图1所示。车床型号为CA6140，切削力的测量采用Kistler 9275B三向压电式测力仪，表面粗糙度的测量采用MITUTOYO SV-3000测量仪。

工件材料高温合金牌号为GH4169，刀具为美国绿叶公司型号为RNGN120700S-WG-300的陶瓷圆刀片，如图2所示。

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图2 陶瓷圆刀片

为了降低切削温度、延长刀具寿命、改善润滑条件[7]，本试验采用微量润滑切削（MQL）辅助系统，设备如图3所示。

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图3 汽雾冷却系统

试验方法及试验数据分析

本文通过高温合金车削单因素试验和正交试验，对切削力、表面粗糙度以及刀具的磨损进行了研究。

1 车削GH4169单因素试验研究

首先进行车削GH4169切削参数的单因素试验，对其切削机理进行研究，试验的切削速度为162m/min、170m/min、215m/min、272m/min，切削深度为0.15mm、0.25 m /mm 、0.30m m 、0.35mm，进给量为0.05mm/r 、0.08mm/r 、0.14 mm/r 、0.18mm/r。

（1）切削速度对切削力及表面粗糙度的影响。

图4为切削速度对切削力的影响，当切削速度增加时，切削力首先减小；随着切削速度的进一步增大，切削力达到一定的值后开始增大。由于当切削速度较小时，切削区域充分变形，所以此时切削力较大；当切削速度增加时，切削区域未发生变形的时前切削刃就会通过，所以切削力降低；当切削速度进一步增加时，必然会引起刀具- 工件系统的振动的增加，切削的稳定性降低，所以切削力增加。表面粗糙度随着切削速度的增加而增加，如图5所示，因为当切削速度增加时，振动对表面粗糙度的影响。同时，随着切削速度的增加剪切滑移变成了剪切撕裂，这两个因素使表面粗糙度值急剧增加。

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（2）切削深度对切削力及表面粗糙度的影响。

图6和图7为切削深度对切削力和表面粗糙度影响曲线，此种陶瓷刀具是负前角的，并且切削刃形式为负倒棱，切削加工本身是剪切滑移过程，所以在切削的时候，即将被加工的金属有一部分与负倒棱平面相接触，由于高温合金属于塑性材料，这部分金属产生了分流，一部分金属随着切屑流出，另一部分停留在被加工的工件表面，产生对刀具的抗力作用，而且表面质量不好，表面粗糙度较高。当切削深度较小时，被分流的金属层与切屑的质量比较大，切屑带走的金属较少，所以切削力较大，表面粗糙度较差；当切削深度加大时，切屑带走的金属相对增多，切削力会有下降的趋势，表面质量提高。但是当切削深度达到一定值的时候，切削力就不再减小了，因为金属的去除量过大时，轴向切削力就会明显增加，导致表面质量变差。

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（3）进给量对切削力及表面粗糙度的影响

图8和图9是进给量对切削力和表面粗糙度的影响。进给量的变化对切削力的影响不大，这是由于进给量的增加时，切削厚度、切削宽度、切削面积和金属去除率变化不大。但是进给量增大时，增加了工件相邻的表面切削纹理的距离，使切削加工的表面变粗糙，固表面粗糙度值变大。

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2 车削GH4169正交试验研究

采用正交试验设计来确定车削GH4169的最佳切削参数。试验数据如表1所示。

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根据正交试验得到的试验结果为：对于切削力而言，切削速度与切削深度影响较大，而进给量的影响较小；对表面粗糙度而言，与切削3要素都有比较明显的关系。综合考虑切削力和表面粗糙度，并且几何单因素试验的试验结果，可以得到WG300陶瓷圆刀片精车GH4169 的最优切削参数。即切削速度变化范围为250～290mm/min，切削深度变化范围为0.25～ 0.30mm，进给量变化范围为0.08～0.11mm/r。

3 刀具磨损及破损形式分析

利用KEYENCE 超景深三维显微系统VHX-600，观察WG-300陶瓷圆刀片的形态，研究陶瓷刀片的失效形式。

陶瓷刀具切削高温合金时的径向切削力很大，高温合金易粘刀，导致刀具的后刀面粘刀现象十分明显，由于高温合金的导热性差，切削时产生的切削热不能较好的从刀具中散出，不仅导致后刀面的磨损非常严重，而且使易使刀具后刀面的材料脱落。图10中A和B所示的是未使用过的陶瓷刀片,C为后刀面的磨损形态，E为后刀面刀具材料成块脱落形态。后刀面与工件的摩擦过大，而又不能从后刀面散出大量热量，使切削刃的温度升高。而且负倒棱上不断有金属划过，易产生切削刃从前刀面处崩刃，如图10中D所示；或者摩擦温度升高而使切削刃温度过高，而在前刀面上出现灼烧的痕迹，如图10中F所示。

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结束语

（1）通过对WG-300陶瓷圆刀片车削高温合金GH4169的试验研究，得到了切削参数对切削力及表面粗糙度的影响。随切削速度的增加切削力先降低再升高，表面粗糙度呈升高趋势；随着切削深度增加切削力降低，而表面粗糙度降低后增加；进给量增加，对切削力的变化不明显，而表面粗糙度急剧增大。

（2）通过分析正交试验以及单因素试验的结果，得出了WG-300陶瓷圆刀片精车GH4169 最佳的切削参数范围，即切削速度变化范围为250~290mm/min，切削深度变化范围为0.25~0.30mm，进给量变化范围为0.08~0.11mm/r。

（3）WG-300陶瓷圆刀片高速车削GH4169 的磨损及破损形式是后刀面磨损及刀具材料脱落、切削刃崩刃、前刀面烧伤等。

参考文献
[1] 李刘合，杨海健，陈五一，等. 用于加工Inconel718的切削刀具发展现状. 工具技术，2010，5(44): 3-12.
[2] 赵秀芬，王玉华，刘阳, 等. 镍基高温合金的切削加工. 航空制造技术，2010(11):46-50.
[3] 杨茂奋，任敬心. 加工表面完整性对高温合金疲劳寿命的影响. 航空精密制造枝术，1996,32(6): 28-31.
[4] 赵军，郑光明，李安海，等. 超高速切削Inconel 718 刀具寿命研究及切削参数优化. 哈尔滨理工大学学报，2011,1(16): 9-12.
[5] 王宝友，崔丽华，黄传真，等. 陶瓷刀具的发展与应用. 工具技术，2001,1(35): 3-7.
[6] 郭旭红，朱圣领，曾庭卫，等.陶瓷刀具和PCBN刀具磨损形态的研究. 机械工程材料，
2004,11(28): 9-11.
[ 7 ] Kamata Y， Obikawa T. High speed MQL finish turning of Incone l718 with different coated tools. Journal of Materials Processing Technology ，2007(192/193): 281-286.（责编泰山）(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/30/2011)


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