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高温合金和陶瓷刀具的材料属性 , \$ O( G. Q' s0 c8 g: o
高温合金主要分为铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金，其中以镍基高温合金的应用最为广泛。镍基高温合金材料的主要成分为镍，以GH4169为例，其镍的含量为50%~55%，其余主要元素有Fe、Cr、Nb 等[2]。
4 t$ Q ?4 J- A4 s2 ^图1 试验台现场
陶瓷刀片车削高温合金试验系统
本研究车削试验现场布置如图1所示。车床型号为CA6140，切削力的测量采用Kistler 9275B三向压电式测力仪，表面粗糙度的测量采用MITUTOYO SV-3000测量仪。
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工件材料高温合金牌号为GH4169，刀具为美国绿叶公司型号为RNGN120700S-WG-300的陶瓷圆刀片，如图2所示。
图2 陶瓷圆刀片
图3 汽雾冷却系统
本文通过高温合金车削单因素试验和正交试验，对切削力、表面粗糙度以及刀具的磨损进行了研究。 7 D) l# @1 @7 j& s) V' I9 d
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1 车削GH4169单因素试验研究
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首先进行车削GH4169切削参数的单因素试验，对其切削机理进行研究，试验的切削速度为162m/min、170m/min、215m/min、272m/min，切削深度为0.15mm、0.25 m /mm 、0.30m m 、0.35mm，进给量为0.05mm/r 、0.08mm/r 、0.14 mm/r 、0.18mm/r。 ! q/ M# L/ e! \- T) y
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（1）切削速度对切削力及表面粗糙度的影响。 ; f8 V! Z3 I# j4 N; K: \
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图4为切削速度对切削力的影响，当切削速度增加时，切削力首先减小；随着切削速度的进一步增大，切削力达到一定的值后开始增大。由于当切削速度较小时，切削区域充分变形，所以此时切削力较大；当切削速度增加时，切削区域未发生变形的时前切削刃就会通过，所以切削力降低；当切削速度进一步增加时，必然会引起刀具- 工件系统的振动的增加，切削的稳定性降低，所以切削力增加。表面粗糙度随着切削速度的增加而增加，如图5所示，因为当切削速度增加时，振动对表面粗糙度的影响。同时，随着切削速度的增加剪切滑移变成了剪切撕裂，这两个因素使表面粗糙度值急剧增加。
图6和图7为切削深度对切削力和表面粗糙度影响曲线，此种陶瓷刀具是负前角的，并且切削刃形式为负倒棱，切削加工本身是剪切滑移过程，所以在切削的时候，即将被加工的金属有一部分与负倒棱平面相接触，由于高温合金属于塑性材料，这部分金属产生了分流，一部分金属随着切屑流出，另一部分停留在被加工的工件表面，产生对刀具的抗力作用，而且表面质量不好，表面粗糙度较高。当切削深度较小时，被分流的金属层与切屑的质量比较大，切屑带走的金属较少，所以切削力较大，表面粗糙度较差；当切削深度加大时，切屑带走的金属相对增多，切削力会有下降的趋势，表面质量提高。但是当切削深度达到一定值的时候，切削力就不再减小了，因为金属的去除量过大时，轴向切削力就会明显增加，导致表面质量变差。
图8和图9是进给量对切削力和表面粗糙度的影响。进给量的变化对切削力的影响不大，这是由于进给量的增加时，切削厚度、切削宽度、切削面积和金属去除率变化不大。但是进给量增大时，增加了工件相邻的表面切削纹理的距离，使切削加工的表面变粗糙，固表面粗糙度值变大。
采用正交试验设计来确定车削GH4169的最佳切削参数。试验数据如表1所示。
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3 刀具磨损及破损形式分析 0 b; p) B3 {$ @6 l6 h
利用KEYENCE 超景深三维显微系统VHX-600，观察WG-300陶瓷圆刀片的形态，研究陶瓷刀片的失效形式。 , i: m/ ~ z, J0 H1 ^* j. \
陶瓷刀具切削高温合金时的径向切削力很大，高温合金易粘刀，导致刀具的后刀面粘刀现象十分明显，由于高温合金的导热性差，切削时产生的切削热不能较好的从刀具中散出，不仅导致后刀面的磨损非常严重，而且使易使刀具后刀面的材料脱落。图10中A和B所示的是未使用过的陶瓷刀片,C为后刀面的磨损形态，E为后刀面刀具材料成块脱落形态。后刀面与工件的摩擦过大，而又不能从后刀面散出大量热量，使切削刃的温度升高。而且负倒棱上不断有金属划过，易产生切削刃从前刀面处崩刃，如图10中D所示；或者摩擦温度升高而使切削刃温度过高，而在前刀面上出现灼烧的痕迹，如图10中F所示。
（1）通过对WG-300陶瓷圆刀片车削高温合金GH4169的试验研究，得到了切削参数对切削力及表面粗糙度的影响。随切削速度的增加切削力先降低再升高，表面粗糙度呈升高趋势；随着切削深度增加切削力降低，而表面粗糙度降低后增加；进给量增加，对切削力的变化不明显，而表面粗糙度急剧增大。 + K1 H; l1 S4 Y0 y# ]
（2）通过分析正交试验以及单因素试验的结果，得出了WG-300陶瓷圆刀片精车GH4169 最佳的切削参数范围，即切削速度变化范围为250~290mm/min，切削深度变化范围为0.25~0.30mm，进给量变化范围为0.08~0.11mm/r。 $ ~& `5 j6 w/ G& o. L! w' G
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（3）WG-300陶瓷圆刀片高速车削GH4169 的磨损及破损形式是后刀面磨损及刀具材料脱落、切削刃崩刃、前刀面烧伤等。
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参 考 文 献 ( z# D7 a' w% D. e @ Y( f
[1] 李刘合，杨海健，陈五一，等. 用于加工Inconel718的切削刀具发展现状. 工具技术，2010，5(44): 3-12. * R2 c8 c5 N" D( X, {! K
[2] 赵秀芬，王玉华，刘阳, 等. 镍基高温合金的切削加工. 航空制造技术，2010(11):46-50. ; [6 t& p; b) J7 G/ t9 w8 H
[3] 杨茂奋，任敬心. 加工表面完整性对高温合金疲劳寿命的影响. 航空精密制造枝术，1996,32(6): 28-31. . n: u6 a6 h; |7 H( b3 I D# c
[4] 赵军，郑光明，李安海，等. 超高速切削Inconel 718 刀具寿命研究及切削参数优化. 哈尔滨理工大学学报，2011,1(16): 9-12. ( Y5 u% {) {! k2 D N# c/ |2 [6 L
[5] 王宝友，崔丽华，黄传真，等. 陶瓷刀具的发展与应用. 工具技术，2001,1(35): 3-7. C( ?( g; b+ z8 w7 p
[6] 郭旭红，朱圣领，曾庭卫，等.陶瓷刀具和PCBN刀具磨损形态的研究. 机械工程材料， % G# [9 m! n6 p7 r
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.（责编泰山）(end)