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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
陶瓷刀片車削高溫合金試驗系統(tǒng)
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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。 9 {1 s: C( ^: V( E
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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。
. [5 O7 t+ p# W. a v圖2 陶瓷圓刀片
4 ~( A* H: e) o* Z( U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。 5 J3 M) S4 k# U: Q
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1 車削GH4169單因素試驗研究 3 z& j6 K% ?! @5 _& T7 ~0 H
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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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（1）切削速度對切削力及表面粗糙度的影響。 9 n" \/ @- I0 N+ V, e5 S+ k3 B( E
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。
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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。
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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。
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3 刀具磨損及破損形式分析 ; @0 I4 M' ?; T- \
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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。 - L* e5 o) O. P/ U! K! H
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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。
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（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。 % O8 m9 K0 Q+ q9 l; e" g2 S
（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(xiàn)
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