陶瓷圓刀片車削GH4169機(jī)理研究及工藝優(yōu)化 | |
作者:哈爾濱汽輪機(jī)廠 詹春輝 | |
高溫合金和陶瓷刀具的材料屬性 高溫合金主要分為鐵基高溫合金、鈷基高溫合金和鎳基高溫合金,其中以鎳基高溫合金的應(yīng)用最為廣泛。鎳基高溫合金材料的主要成分為鎳,以GH4169為例,其鎳的含量為50%~55%,其余主要元素有Fe、Cr、Nb 等[2]。 ![]() 圖1 試驗臺現(xiàn)場 3 x }9 E$ [1 z: D3 ]" ? 陶瓷刀片車削高溫合金試驗系統(tǒng) 0 ]% I+ g/ E. r- L d s0 m + s8 L8 Z: R* D. q 本研究車削試驗現(xiàn)場布置如圖1所示。車床型號為CA6140,切削力的測量采用Kistler 9275B三向壓電式測力儀,表面粗糙度的測量采用MITUTOYO SV-3000測量儀。 4 k+ v7 N9 b3 ]/ b% r 工件材料高溫合金牌號為GH4169,刀具為美國綠葉公司型號為RNGN120700S-WG-300的陶瓷圓刀片,如圖2所示。 ![]() 圖2 陶瓷圓刀片 ![]() 圖3 汽霧冷卻系統(tǒng) 本文通過高溫合金車削單因素試驗和正交試驗,對切削力、表面粗糙度以及刀具的磨損進(jìn)行了研究。 % J( `0 t o( F' f+ n 1 車削GH4169單因素試驗研究 5 o' Q4 [, a" a0 t/ `/ ^. h( f 首先進(jìn)行車削GH4169切削參數(shù)的單因素試驗,對其切削機(jī)理進(jìn)行研究,試驗的切削速度為162m/min、170m/min、215m/min、272m/min,切削深度為0.15mm、0.25 m /mm 、0.30m m 、0.35mm,進(jìn)給量為0.05mm/r 、0.08mm/r 、0.14 mm/r 、0.18mm/r。 (1)切削速度對切削力及表面粗糙度的影響。 圖4為切削速度對切削力的影響,當(dāng)切削速度增加時,切削力首先減小;隨著切削速度的進(jìn)一步增大,切削力達(dá)到一定的值后開始增大。由于當(dāng)切削速度較小時,切削區(qū)域充分變形,所以此時切削力較大;當(dāng)切削速度增加時,切削區(qū)域未發(fā)生變形的時前切削刃就會通過,所以切削力降低;當(dāng)切削速度進(jìn)一步增加時,必然會引起刀具- 工件系統(tǒng)的振動的增加,切削的穩(wěn)定性降低,所以切削力增加。表面粗糙度隨著切削速度的增加而增加,如圖5所示,因為當(dāng)切削速度增加時,振動對表面粗糙度的影響。同時,隨著切削速度的增加剪切滑移變成了剪切撕裂,這兩個因素使表面粗糙度值急劇增加。 ![]() 圖6和圖7為切削深度對切削力和表面粗糙度影響曲線,此種陶瓷刀具是負(fù)前角的,并且切削刃形式為負(fù)倒棱,切削加工本身是剪切滑移過程,所以在切削的時候,即將被加工的金屬有一部分與負(fù)倒棱平面相接觸,由于高溫合金屬于塑性材料,這部分金屬產(chǎn)生了分流,一部分金屬隨著切屑流出,另一部分停留在被加工的工件表面,產(chǎn)生對刀具的抗力作用,而且表面質(zhì)量不好,表面粗糙度較高。當(dāng)切削深度較小時,被分流的金屬層與切屑的質(zhì)量比較大,切屑帶走的金屬較少,所以切削力較大,表面粗糙度較差;當(dāng)切削深度加大時,切屑帶走的金屬相對增多,切削力會有下降的趨勢,表面質(zhì)量提高。但是當(dāng)切削深度達(dá)到一定值的時候,切削力就不再減小了,因為金屬的去除量過大時,軸向切削力就會明顯增加,導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。 ![]() 圖8和圖9是進(jìn)給量對切削力和表面粗糙度的影響。進(jìn)給量的變化對切削力的影響不大,這是由于進(jìn)給量的增加時,切削厚度、切削寬度、切削面積和金屬去除率變化不大。但是進(jìn)給量增大時,增加了工件相鄰的表面切削紋理的距離,使切削加工的表面變粗糙,固表面粗糙度值變大。 ![]() ( y, j2 e4 m# n6 ]" I 采用正交試驗設(shè)計來確定車削GH4169的最佳切削參數(shù)。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。 ![]() 2 ?( s5 V+ K, ~( q) L$ M! y 3 刀具磨損及破損形式分析 利用KEYENCE 超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-600,觀察WG-300陶瓷圓刀片的形態(tài),研究陶瓷刀片的失效形式。 陶瓷刀具切削高溫合金時的徑向切削力很大,高溫合金易粘刀,導(dǎo)致刀具的后刀面粘刀現(xiàn)象十分明顯,由于高溫合金的導(dǎo)熱性差,切削時產(chǎn)生的切削熱不能較好的從刀具中散出,不僅導(dǎo)致后刀面的磨損非常嚴(yán)重,而且使易使刀具后刀面的材料脫落。圖10中A和B所示的是未使用過的陶瓷刀片,C為后刀面的磨損形態(tài),E為后刀面刀具材料成塊脫落形態(tài)。后刀面與工件的摩擦過大,而又不能從后刀面散出大量熱量,使切削刃的溫度升高。而且負(fù)倒棱上不斷有金屬劃過,易產(chǎn)生切削刃從前刀面處崩刃,如圖10中D所示;或者摩擦溫度升高而使切削刃溫度過高,而在前刀面上出現(xiàn)灼燒的痕跡,如圖10中F所示。 ![]() (1)通過對WG-300陶瓷圓刀片車削高溫合金GH4169的試驗研究,得到了切削參數(shù)對切削力及表面粗糙度的影響。隨切削速度的增加切削力先降低再升高,表面粗糙度呈升高趨勢;隨著切削深度增加切削力降低,而表面粗糙度降低后增加;進(jìn)給量增加,對切削力的變化不明顯,而表面粗糙度急劇增大。 (2)通過分析正交試驗以及單因素試驗的結(jié)果,得出了WG-300陶瓷圓刀片精車GH4169 最佳的切削參數(shù)范圍,即切削速度變化范圍為250~290mm/min,切削深度變化范圍為0.25~0.30mm,進(jìn)給量變化范圍為0.08~0.11mm/r。 % Q1 u) ^6 z9 z8 {% y (3)WG-300陶瓷圓刀片高速車削GH4169 的磨損及破損形式是后刀面磨損及刀具材料脫落、切削刃崩刃、前刀面燒傷等。 ' c) z; r+ ?9 \. C & Y2 j. R! y2 U! Z. H# z! U 參 考 文 獻(xiàn) [1] 李劉合,楊海健,陳五一,等. 用于加工Inconel718的切削刀具發(fā)展現(xiàn)狀. 工具技術(shù),2010,5(44): 3-12. [2] 趙秀芬,王玉華,劉陽, 等. 鎳基高溫合金的切削加工. 航空制造技術(shù),2010(11):46-50. [3] 楊茂奮,任敬心. 加工表面完整性對高溫合金疲勞壽命的影響. 航空精密制造枝術(shù),1996,32(6): 28-31. [4] 趙軍,鄭光明,李安海,等. 超高速切削Inconel 718 刀具壽命研究及切削參數(shù)優(yōu)化. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2011,1(16): 9-12. [5] 王寶友,崔麗華,黃傳真,等. 陶瓷刀具的發(fā)展與應(yīng)用. 工具技術(shù),2001,1(35): 3-7. " c" G, u* I4 Y7 D* x# j, d [6] 郭旭紅,朱圣領(lǐng),曾庭衛(wèi),等.陶瓷刀具和PCBN刀具磨損形態(tài)的研究. 機(jī)械工程材料, 8 O# p3 }3 e- E; H 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.(責(zé)編泰山)(end) |
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