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陶瓷刀具干銑削超高強度鋼的試驗研究

時間:2011-05-21 08:34:20 來源:未知

1 引言

難加工材料切削技術的研究在理論和實踐上都具有重要意義。本項目的研究對象為某牌號超高強度鋼，該鋼種材料Ni、Cr、Mo元素含量較高，具有高硬度(>45HRC)、高強度(抗彎強度1174MPa)和良好的韌性，因其優異的物理、力學性能而在國防工業上有著重要應用。該鋼種的總體加工性能等級為8級，屬于典型的難加工材料，目前主要使用硬質合金刀具進行切削加工，但刀具磨損、破損嚴重，加工效率低，加工成本高，嚴重制約了生產的順利進行。本研究分別采用Al2O3基、Al2O3-Ti(NC)基和Si3N4-Al2O3基三種陶瓷刀具對該牌號超高強度鋼進行了干銑削加工試驗，通過研究其切削性能，探討適合加工該材料的有效刀具及工藝方法。

2 試驗條件與方法

  1. 試驗條件
    試件材料：某牌號超高強度鋼，試件尺寸160mm×60mm ×60mm。
    試驗刀具：YT15硬質合金刀片， Al2O3基、Al2O3-Ti（NC)基和Si3N4-Al2O3基陶瓷刀具。三種陶瓷刀具的成分及性能見表1。 試驗刀具成分系列硬度
    (HRA)    抗彎強度
    (MPa)    陶瓷刀具1Si3N4+Al2O3+TiCSi3N4-Al2O3基94850陶瓷刀具2Al2O3+Ti(NC)Al2O3-Ti(NC)基94.5850陶瓷刀具 3Al2O3+TiCAl2O3基93.5880～030
    表1 陶瓷刀具牌號及性能
    刀具幾何參數：g0=0°，a0=0°，br1×g01=1mm×15°，re=2.5mm。
    切削方式：單齒端面對稱干銑削。
    銑刀盤：d=125mm，gp=-9°，gr=-3°。
    機床：XS5040型立式升降臺銑床。
    測量裝置：小型工具顯微鏡，Kistler三向壓電晶體測力儀，表面粗糙度測量儀。
  2. 刀具耐用度試驗方法
    在進給量f=0.1mm/r，切削深度ap=1mm，切削速度分別為V=123、157m/min的切削條件下，分別對三種陶瓷刀具進行刀具耐用度試驗，繪出刀具磨損曲線，并建立T-V經驗公式。
  3. 銑削力試驗方法
    在進給量f=0.1mm/r，切削深度ap=1mm，切削速度分別為V=123、157、196、247m/min的切削條件下，分別對YT15硬質合金刀具和陶瓷刀具1進行切削力試驗，繪出主切削力曲線，并建立Fz-V 經驗公式。
  4. 加工表面粗糙度試驗方法
    在切削速度V=123、157m/min的條件下，分別用三種陶瓷刀具進行切削試驗，并測量、記錄已加工工件的表面粗糙度值。
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3 試驗結果與分析

  1. 切削條件對刀具耐用度的影響本試驗中，在相同切削用量(V=123、157m/min，ap=1mm，f=0.1mm/r)下得到的三種陶瓷刀具的后刀面磨損曲線如圖1所示。

    (a)V=123 m/min
    (b)V=157 m/min    圖1 三種陶瓷刀具的后刀面磨損曲線
    由圖可見，陶瓷刀具- 在正常磨損階段的磨損較劇烈，在很短時間內就達到了刀具磨鈍標準；陶瓷刀具1、3的耐磨性較好，在刀具正常磨損階段的磨損較緩慢、均勻，與目前生產中普遍采用的YT15硬質合金刀具相比，刀具耐用度有較大幅度提高。
    陶瓷刀具2在兩種切削速度條件下磨損均較嚴重的原因是切削溫度較高，工件材料中的Ni向刀具中心擴散，使刀具表面硬度下降，刀具材料與工件材料親和性增大，粘結磨損隨之增大，導致刀具耐用度降低。陶瓷刀具3的耐用度在V=157 m/min時較V=123 m/min時明顯下降，這是因為V=123 m/min時刀具的主要磨損機制為磨料磨損和粘結磨損，刀具磨損較慢，因而耐用度較高；當V=157 m/min時，隨著切削溫度升高，擴散磨損在刀具磨損中所占比重上升，使刀具材料性能降低，刀具磨損加劇。陶瓷刀具1的耐用度最高(36min)，這是因為刀具材料中的Si3N4和TiC在切削過程中被氧化，在摩擦表面生成的含Si、Ti 氧化物起到了固體潤滑劑作用，可顯著降低刀具后刀面與工件間的摩擦力，從而減輕了刀具的粘結磨損，提高了刀具耐磨性。
    對試驗數據進行線性回歸分析，可得出三種陶瓷刀具在f=0.1mm/r、ap=1mm 切削用量下銑削超高強度鋼的T-V經驗公式分別為
    陶瓷刀具1：T=8.492×103×V-1.048r=-0.885
    陶瓷刀具2：T=2.919×102×V-0.710r=-0.842
    陶瓷刀具3：T=8.578×107×V-3.065r=-0.927
    式中，T為耐用度，r為相關系數，表示T與V之間相關關系的密切程度。上述經驗公式反映了三種陶瓷刀具的耐用度與切削速度之間的關系，為后續試驗中切削速度的選擇提供了重要依據。
  2. 切削條件對切削力的影響
    本試驗中，在相同切削用量(V=123、157、196、247m/min，f=1.1mm/r，ap=1mm)下得到的YT15硬質合金刀具和陶瓷刀具1的主切削力曲線如圖2所示。
    圖2 YT15、陶瓷刀具1的主切削力曲線
    由圖可知：①在試驗切削速度范圍( V=123~247m/min)內，YT15硬質合金刀具和陶瓷刀具1的主切削力Fz隨切削速度的提高而緩慢減小，這表明當切削速度較低時，切削速度的提高可導致切削力下降；②與YT15硬質合金刀片相比，陶瓷刀具1的主切削力較小，這主要是由于陶瓷刀具干切削時具有自潤滑功能，即陶瓷刀具中的 Si3N4、TiC 和Ti(NC)在高溫下發生氧化，氧化物附著在切屑與前刀面之間，可減小前刀面的平均摩擦系數，從而減小了主切削力。
    對試驗數據進行線性回歸分析，可得出這兩種刀具在f=0.1mm/r，ap=1mm 切削用量下銑削超高強度鋼的Fz-V經驗公式分別為
    陶瓷刀具1：Fz=418V-0.102r=-0.707
    YT15刀具：Fz=379V-0.075r=-0.740
    式中，Fz為主切削力，r為相關系數，表示Fz與V之間相關關系的密切程度。
  3. 切削條件對加工表面粗糙度的影響
    本試驗中，在相同切削用量( V=123、157m/min，a#p#分頁標題#e#p=1mm，f=0.1mm/r)下獲得的三種陶瓷刀具的加工表面粗糙度值見表2。 試驗刀具V
    (m/min)    Ra
    (µm)    等級陶瓷刀具11230.48081570.7707陶瓷刀具21230.51481570.4868陶瓷刀具31230.51281570.6048
    表2 三種陶瓷刀具的加工表面粗糙度
    由表2 可知，工件的加工表面粗糙度值均在Ra0.480～0.770µm之間，這表明用陶瓷刀具加工超高強度鋼可獲得較好的表面質量。這主要因為：①由于試驗采用端銑方式，由主切削刃起切除作用，而過渡刃和副切削刃起到了修光作用；②工件材料硬度高、韌性好，加工中塑性變形較大，刀具與加工表面的擠壓作用在一定程度上提高了加工表面質量；③陶瓷刀具材料的自潤滑性能較好，刀具材料與工件之間的摩擦系數較小，銑削過程中刀具與工件的摩擦力較小，不易在前刀面形成滯留層和積屑瘤，因此可獲得較好的加工表面質量。

4 結論

  1. 刀具耐用度試驗表明：用陶瓷刀具加工超高強度鋼可顯著提高刀具耐用度，其中Si3N4-Al2O3基陶瓷刀具的切削性能最佳。
  2. 切削力試驗表明：采用陶瓷刀具加工超高強度鋼時的主切削力較采用YT15硬質合金刀具時有所下降。
  3. 用陶瓷刀具加工超高強度鋼可獲得較好的表面質量，加工表面粗糙度在Ra0.480～0.770µm之間。