陶瓷圓刀片車削GH4169機理研究及工藝優化

黑色陶瓷車刀

陶瓷圓刀片車削GH4169機理研究及工藝優化

作者：哈爾濱汽輪機廠 詹春輝

$ f- O7 c) l4 X) C1 a 隨著我國國防工業、航空航天的迅速發展，高溫合金、鈦合金等難加工材料在這些領域的應用越來越廣泛。高溫合金是在600~1200℃高溫、保持優良力學性能的條件下依然可以長時間工作的材料，并且可以承受復雜的應力。該材料具有良好的機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，易出現刀具磨損過快、加工質量較差等問題[1]。由于具有良好的切削穩定性，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用。但是作為切削高溫合金的一種新型刀具，其切削機理還未得到充分闡述。為此，本文通過切削機理的研究，得出了陶瓷刀具切削高溫合金的最佳工藝條件。 * L. u0 M+ M! m  _ 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 試驗臺現場 現在切削高溫合金的刀具材料多為涂層和非涂層硬質合金，但是存在較多問題，比如刀具磨損嚴重[3]、一般切削速度低于100mm/min[4]。陶瓷刀具磨損能力較強，熱穩定性好，尤其在1200~1400℃，硬度仍然能達到80HRA[5]，其抗磨損的能力相當，抗彎強度較強，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為月牙洼磨損[6]，陶瓷刀具的抗月牙洼磨損的能力較強。 陶瓷刀片車削高溫合金試驗系統 % s$ A6 s8 g. ?. z, c本研究車削試驗現場布置如圖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。 ; [& z; J# q2 X# E0 q5 Y " x* n) s4 F5 f; z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。 7 m# K: V5 P" T4 F3 W1 ^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，設備如圖3所示。 圖3 汽霧冷卻系統 試驗方法及試驗數據分析 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行了研究。 1 車削GH4169單因素試驗研究 - N7 r, y' s/ i1 Y4 ^ 首先進行車削GH4169切削參數的單因素試驗，對其切削機理進行研究，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，進給量為0.05mm/r 、0.08mm/r 、0.14 mm/r 、0.18mm/r。 ) ?5 H3 e8 T! q3 ^% j4 L9 i " e# T! E7 L4 `2 g+ U* h7 Z2 F7 Z6 n（1）切削速度對切削力及表面粗糙度的影響。 . d9 W, w% e! {/ j# w* g6 H * ]2 w6 q1 T& S9 y0 g圖4為切削速度對切削力的影響，當切削速度增加時，切削力首先減小；隨著切削速度的進一步增大，切削力達到一定的值后開始增大。由于當切削速度較小時，切削區域充分變形，所以此時切削力較大；當切削速度增加時，切削區域未發生變形的時前切削刃就會通過，所以切削力降低；當切削速度進一步增加時，必然會引起刀具- 工件系統的振動的增加，切削的穩定性降低，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。 7 Q4 D' T$ W/ R; E1 c9 S" i 圖6和圖7為切削深度對切削力和表面粗糙度影響曲線，此種陶瓷刀具是負前角的，并且切削刃形式為負倒棱，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，產生對刀具的抗力作用，而且表面質量不好，表面粗糙度較高。當切削深度較小時，被分流的金屬層與切屑的質量比較大，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，表面質量提高。但是當切削深度達到一定值的時候，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，導致表面質量變差。 （3）進給量對切削力及表面粗糙度的影響 8 l8 ^6 J& D- h8 t( a + e* y, n' c5 \# d圖8和圖9是進給量對切削力和表面粗糙度的影響。進給量的變化對切削力的影響不大，這是由于進給量的增加時，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 采用正交試驗設計來確定車削GH4169的最佳切削參數。試驗數據如表1所示。 根據正交試驗得到的試驗結果為：對于切削力而言，切削速度與切削深度影響較大，而進給量的影響較小；對表面粗糙度而言，與切削3要素都有比較明顯的關系。綜合考慮切削力和表面粗糙度，并且幾何單因素試驗的試驗結果，可以得到WG300陶瓷圓刀片精車GH4169 的最優切削參數。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，進給量變化范圍為0.08～0.11mm/r。 : N$ t: X' W9 _% K7 g2 T+ G 3 刀具磨損及破損形式分析 ; V. l& x" y8 r- X( v 利用KEYENCE 超景深三維顯微系統VHX-600，觀察WG-300陶瓷圓刀片的形態，研究陶瓷刀片的失效形式。 1 o  g, _- Z( b/ J5 G; S; L 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，導致刀具的后刀面粘刀現象十分明顯，由于高溫合金的導熱性差，切削時產生的切削熱不能較好的從刀具中散出，不僅導致后刀面的磨損非常嚴重，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，E為后刀面刀具材料成塊脫落形態。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。而且負倒棱上不斷有金屬劃過，易產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，而在前刀面上出現灼燒的痕跡，如圖10中F所示。 結束語 - n6 D6 `& J/ A1 w 5 X' P$ J0 J% D9 {% J（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；進給量增加，對切削力的變化不明顯，而表面粗糙度急劇增大。 . x1 ]/ g* A0 V: U+ J8 K& o. z （2）通過分析正交試驗以及單因素試驗的結果，得出了WG-300陶瓷圓刀片精車GH4169 最佳的切削參數范圍，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，進給量變化范圍為0.08~0.11mm/r。 2 h- r- m' o- y+ h' Z: `8 t （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。 參 考 文 獻 [1] 李劉合，楊海健，陳五一，等. 用于加工Inconel718的切削刀具發展現狀. 工具技術，2010，5(44): 3-12. 5 W8 X: W) d( w  G5 H6 T2 D, s[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，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，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優化. 哈爾濱理工大學學報，2011,1(16): 9-12. 8 a, `; A* x* F2 ][5] 王寶友，崔麗華，黃傳真，等. 陶瓷刀具的發展與應用. 工具技術，2001,1(35): 3-7. " O% D0 H! }5 U* w7 S1 ^2 u% m[6] 郭旭紅，朱圣領，曾庭衛，等.陶瓷刀具和PCBN刀具磨損形態的研究. 機械工程材料， ) l$ O, J) b0 g2004,11(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.（責編泰山）(end)

狙擊手

全文，沒有說為什么用圓刀片？  
2 L/ _  q% P1 B$ m& X1 o, N. I0 G$ l   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，因為在他的印像中，INCONEL718最多60m/min, 怪他一直用硬質合金刀片。那次嘗試不成功，因為是薄壁管，刀片是CNMG, 水溶性切削液。我認為這種陶瓷刀片應用條件比較苛刻，最好是實心工件，只適合粗加工，精加工還不能取代硬質合金。至于為何是圓刀片，因為它是圓的，最均衡而最堅固。

小艾子

看的不是很懂的 唉  不過這技術 真的是很高超呢

把刀用好

由于陶瓷刀具和CBN刀具對系統剛性和穩定性要求比較高，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。
' V# i3 ?! a' p( z4 h

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