| 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 | | 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。 % K% P% x$ K+ U5 `' k- X9 _
0 K) Z4 _* q9 L$ u" s( p7 m7 `) I
高溫合金和陶瓷刀具的材料屬性 6 x4 {+ {' Z) Y Q2 z5 \
1 w% _/ r. T( Y0 r( A) W! m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]。 ![]() / T, K8 b! R$ j4 \/ ?" M& r8 a1 M0 t
圖1 試驗臺現場
3 Y- G9 k, Z8 j
2 M! e' B- o+ q% _; J0 w陶瓷刀片車削高溫合金試驗系統 ; w3 j; q- M K) J2 c8 X1 ^& D+ E
5 M2 I) v: a8 s
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。 O+ @+ U( |, v+ o2 ~! P
. G8 X, ]# B. N5 h) Q( Q0 T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 s: G. f! [ }3 p2 i圖2 陶瓷圓刀片 ![]() + x# c5 E& S/ ]# ^
圖3 汽霧冷卻系統
. N5 {8 u" ?; t% |+ ^2 K% E2 K& |7 g9 }
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。
6 Z# h: a, ^8 K% j5 M* y) P+ l* G9 E5 O& Y' H2 [. [
1 車削GH4169單因素試驗研究 & E5 e/ N; d# p7 n4 e- F
- ~" I" ^) i0 D8 p: e
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。
n3 d4 L4 M% j7 U8 h7 N u# w* ]4 A' v, \7 W/ a9 d O! \* L3 G
（1）切削速度對切削力及表面粗糙度的影響。
0 h1 m0 w6 ?: D. q0 d5 O
6 l5 _2 t) D+ Y. A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。 ; K2 p4 m/ o! O* D( `$ B7 s2 n( P
0 v2 h- }4 w+ u5 w# `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 p+ s0 i! ~, M& C
/ Q4 A1 ]& Z7 h+ V" |. H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 + j% R/ U3 k8 S5 D; D5 v( y1 g+ m' ^
* |% f! Q2 n# E
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。 5 F ]; o2 {$ L- f& V
4 ]3 _2 t' L+ |+ L/ P
3 刀具磨損及破損形式分析 - s. s0 ?& \/ {
+ A9 Q+ c, V0 ~: U) E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。
% i9 _6 Y4 S8 N; A* G. w/ q* {* M" f/ _ l6 J5 B9 W8 `" N: \" F
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 1 C' J- ]! _3 p2 _3 }7 O* h
5 n" b* w( H/ o
（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。
7 Q8 f M! T" ?& a) o
' x& |' T; H/ 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。
. Y: j5 O6 H+ V8 b+ r& m: ?, S% i2 z" I" X2 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。
" n- R& S3 z0 |* t' _* ^+ Y( x4 v" E! V
參 考 文 獻
# v5 P1 j; G2 P[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.
2 g5 g" n% i. @* D1 W[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. 7 j& n( ]' I/ s, R l/ a ^. L
[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. / [8 T3 Z2 s" T8 {. X0 c Z
[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. & C, n8 W( U0 W* G, O2 |
[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.
5 o; x/ D1 j, C0 G# N[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，
$ n2 z5 [5 W) G* x9 L2004,11(28): 9-11.
6 J& X" b6 W; m5 g' D% G: y[ 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) |
|
游客
發表于 2011-12-28 13:13:03
QQ好友和群
QQ空間
