陶瓷圓刀片車削GH4169機(jī)理研究及工藝優(yōu)化

黑色陶瓷車刀

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

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。 3 I, W  w" U+ Z9 r  P + J, b: ]7 |! E% y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]。 # ]$ w3 g3 m) c$ X5 H0 \; R( M7 o圖1 試驗(yàn)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)。 1 f" ]3 k; q4 Q$ m3 w 陶瓷刀片車削高溫合金試驗(yàn)系統(tǒng) 本研究車削試驗(yàn)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。 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。 ! g+ o/ Y: P* [7 [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(yàn)采用微量潤滑切削（MQL）輔助系統(tǒng)，設(shè)備如圖3所示。 圖3 汽霧冷卻系統(tǒng) 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 / A3 o% g7 x2 H+ |( ^! I 本文通過高溫合金車削單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，對切削力、表面粗糙度以及刀具的磨損進(jìn)行了研究。 $ |1 i  O( u8 l : _8 y! O% P# E4 V/ o+ p; X* t1 車削GH4169單因素試驗(yàn)研究 6 s* P9 x7 D3 T5 _8 E5 M; w 5 K4 H/ C+ k& o6 N, B首先進(jìn)行車削GH4169切削參數(shù)的單因素試驗(yàn)，對其切削機(jī)理進(jìn)行研究，試驗(yàn)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。 8 z5 P( b9 r* u9 w: N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?yàn)楫?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。 # e( E" X& _! ?" z8 X2 B 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?yàn)榻饘俚娜コ窟^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 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(yàn)研究 9 D/ o% f) F- ]$ D , a# |3 S  Z8 @6 t" I( Z+ l# \采用正交試驗(yàn)設(shè)計來確定車削GH4169的最佳切削參數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。 根據(jù)正交試驗(yàn)得到的試驗(yàn)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)給量的影響較小；對表面粗糙度而言，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?yàn)的試驗(yàn)結(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。 " a; z* c" X9 n. S) g2 k- a' a3 刀具磨損及破損形式分析 / y, L4 X9 O9 B9 } 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。 結(jié)束語 % R/ C( `/ x' B0 A) j- P, D（1）通過對WG-300陶瓷圓刀片車削高溫合金GH4169的試驗(yàn)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。 # r: N, {% N0 K; Q! F! X! i （2）通過分析正交試驗(yàn)以及單因素試驗(yàn)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。 2 s  q, G" i6 x4 D; K. }（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。 " [1 J$ \( t& f- b8 b7 f: b參 考 文 獻(xiàn) 4 d2 P' Z& `! J9 b& I: L9 o) K[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. + v; p% W1 ?" a- t4 e+ E[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. [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， 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)

狙擊手

全文，沒有說為什么用圓刀片？  
2 r1 s& \7 F8 j+ e   其中 講述的涂層合金刀片的對比輕描淡寫一概而過了。

黑色陶瓷車刀

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

圈泥子

提高利用率的理由貌似不太充分。

askjhgff

人才啊。{:soso_e192:}

joseph8779

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?yàn)樵谒挠∠裰校琁NCONEL718最多60m/min, 怪他一直用硬質(zhì)合金刀片。那次嘗試不成功，因?yàn)槭潜”诠埽镀荂NMG, 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(shí)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?yàn)樗菆A的，最均衡而最堅(jiān)固。

小艾子

看的不是很懂的 唉  不過這技術(shù) 真的是很高超呢

把刀用好

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(shí)驗(yàn)里的刀具材料脫落、切削刃崩刃很有可能是這個原因。
8 x6 k, B9 B2 |2 P1 E

jm2018qz

從小就在一個畸形的家庭長大的舞瞳，

花一一

滾滾黃河之水，浩浩蕩蕩，恣意東流