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標(biāo)題: 陶瓷圓刀片車削GH4169機(jī)理研究及工藝優(yōu)化 [打印本頁]

作者: 黑色陶瓷車刀    時間: 2011-12-28 13:13
標(biāo)題: 陶瓷圓刀片車削GH4169機(jī)理研究及工藝優(yōu)化
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
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隨著我國國防工業(yè)、航空航天的迅速發(fā)展,高溫合金、鈦合金等難加工材料在這些領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。高溫合金是在600~1200℃高溫、保持優(yōu)良力學(xué)性能的條件下依然可以長時間工作的材料,并且可以承受復(fù)雜的應(yīng)力。該材料具有良好的機(jī)械疲勞和熱疲勞性能,也具有良好的塑性和沖擊韌性。但是高溫合金屬于難加工材料,在切削加工過程中若條件選擇不當(dāng),易出現(xiàn)刀具磨損過快、加工質(zhì)量較差等問題[1]。由于具有良好的切削穩(wěn)定性,晶須增韌陶瓷刀片在高溫合金的切削中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是作為切削高溫合金的一種新型刀具,其切削機(jī)理還未得到充分闡述。為此,本文通過切削機(jī)理的研究,得出了陶瓷刀具切削高溫合金的最佳工藝條件。 9 w" s; e. e2 r$ u

7 g3 A+ a% L4 R7 {6 \高溫合金和陶瓷刀具的材料屬性
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# ?1 }/ x3 N4 n" P- }; _+ V0 H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]。

! |' m, k0 U* s4 N( [6 O! s3 H圖1 試驗臺現(xiàn)場
現(xiàn)在切削高溫合金的刀具材料多為涂層和非涂層硬質(zhì)合金,但是存在較多問題,比如刀具磨損嚴(yán)重[3]、一般切削速度低于100mm/min[4]。陶瓷刀具磨損能力較強(qiáng),熱穩(wěn)定性好,尤其在1200~1400℃,硬度仍然能達(dá)到80HRA[5],其抗磨損的能力相當(dāng),抗彎強(qiáng)度較強(qiáng),而價格相對較低,陶瓷刀具的性價比更高些。高溫合金對刀具的磨損主要表現(xiàn)為月牙洼磨損[6],陶瓷刀具的抗月牙洼磨損的能力較強(qiáng)。 5 L8 h  }4 R* H' E8 X" E& l" ]
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陶瓷刀片車削高溫合金試驗系統(tǒng) 0 ]% I+ g/ E. r- L  d  s0 m
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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。
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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。
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圖2 陶瓷圓刀片
為了降低切削溫度、延長刀具壽命、改善潤滑條件[7],本試驗采用微量潤滑切削(MQL)輔助系統(tǒng),設(shè)備如圖3所示。

& G- Y8 L7 J! H# z) A2 {1 S圖3 汽霧冷卻系統(tǒng)
試驗方法及試驗數(shù)據(jù)分析 6 |8 @/ N5 o- E3 ?' G* B* N1 q

( v( K7 N& `/ |) g) o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

) T& @9 y8 m4 h; F1 車削GH4169單因素試驗研究
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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。
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0 [+ ^" t' M) V) b8 h(1)切削速度對切削力及表面粗糙度的影響。
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2 y5 s  z7 H/ _' o: @  g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。
(2)切削深度對切削力及表面粗糙度的影響。 & c& O: z3 u2 J8 I

4 O! S" v$ A$ y+ F' V* z  Q/ Z1 o8 T2 f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。
(3)進(jìn)給量對切削力及表面粗糙度的影響 * ]5 r* p8 ~% `4 H2 o! s+ I

; W: F6 O7 o, z0 ]) ~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。
2 車削GH4169正交試驗研究
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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。
根據(jù)正交試驗得到的試驗結(jié)果為:對于切削力而言,切削速度與切削深度影響較大,而進(jìn)給量的影響較?。粚Ρ砻娲植诙榷?,與切削3要素都有比較明顯的關(guān)系。綜合考慮切削力和表面粗糙度,并且?guī)缀螁我蛩卦囼灥脑囼灲Y(jié)果,可以得到WG300陶瓷圓刀片精車GH4169 的最優(yōu)切削參數(shù)。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。
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3 刀具磨損及破損形式分析
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  b' |$ l5 r6 A' L2 y: K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。
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1 Z+ n0 M9 v3 t6 q9 x5 v5 p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。
結(jié)束語
( d* Z2 q$ X! V$ T1 W+ }) }
( U3 R  {& J" X% k* ~(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。
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( L# n1 y  [# u$ B1 Q(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。
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(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
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參 考 文 獻(xiàn)
. q, X8 i3 `8 U2 d% ?$ N[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.
. G' p: f: |$ X1 e[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.
2 X& ^: a; w- ^1 d: T$ B[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.
3 w$ t$ k8 r$ F9 e- J- j- C[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.
8 k* `8 U7 x6 h8 r[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.
' x/ b+ k4 ^$ X( m0 k4 {2 Z2 t[ 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)

作者: 狙擊手    時間: 2011-12-29 11:56
全文,沒有說為什么用圓刀片?  
3 F" V+ a) ]) j/ S   其中 講述的涂層合金刀片的對比輕描淡寫一概而過了。
作者: 黑色陶瓷車刀    時間: 2011-12-29 18:59
圓刀片利用率高啊,如果有階梯或清根就選菱形或其他型號了
" ]% h* F' S6 n8 n8 f1 Z; {) @8 d
作者: 圈泥子    時間: 2011-12-29 22:38
提高利用率的理由貌似不太充分。
作者: askjhgff    時間: 2012-4-3 16:26
人才啊。{:soso_e192:}
作者: joseph8779    時間: 2012-4-3 19:41
這種刀片英文叫Wisker Ceramic刀片,好多國際大廠都有出了,上次試過ISCAR的,線速度要150m/min以上,操作人員嚇了一大跳,因為在他的印像中,INCONEL718最多60m/min, 怪他一直用硬質(zhì)合金刀片。那次嘗試不成功,因為是薄壁管,刀片是CNMG, 水溶性切削液。我認(rèn)為這種陶瓷刀片應(yīng)用條件比較苛刻,最好是實心工件,只適合粗加工,精加工還不能取代硬質(zhì)合金。至于為何是圓刀片,因為它是圓的,最均衡而最堅固。
作者: 小艾子    時間: 2012-4-6 14:10
看的不是很懂的 唉  不過這技術(shù) 真的是很高超呢
作者: 把刀用好    時間: 2012-4-6 20:50
由于陶瓷刀具和CBN刀具對系統(tǒng)剛性和穩(wěn)定性要求比較高,所以不太建議在普車上使用,尤其是使用大圓角的負(fù)角刀片。這個實驗里的刀具材料脫落、切削刃崩刃很有可能是這個原因。; |- A6 u1 E7 H. o5 [' H1 w

作者: jm2018qz    時間: 2012-5-13 08:34
從小就在一個畸形的家庭長大的舞瞳,
作者: 花一一    時間: 2012-5-19 12:50
滾滾黃河之水,浩浩蕩蕩,恣意東流
作者: 學(xué)習(xí)“心”德    時間: 2013-1-15 22:02
學(xué)習(xí)
作者: 吃玩樂    時間: 2013-1-25 18:58
提高利用率的理由貌似不太充分。
作者: 學(xué)習(xí)“心”德    時間: 2013-2-2 23:50
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