陶瓷圆刀片车削GH4169机理研究及工艺优化

黑色陶瓷车刀

陶瓷圆刀片车削GH4169机理研究及工艺优化

作者：哈尔滨汽轮机厂 詹春辉

) T( H7 F2 A& f  ]  k8 r 随着我国国防工业、航空航天的迅速发展，高温合金、钛合金等难加工材料在这些领域的应用越来越广泛。高温合金是在600~1200℃高温、保持优良力学性能的条件下依然可以长时间工作的材料，并且可以承受复杂的应力。该材料具有良好的机械疲劳和热疲劳性能，也具有良好的塑性和冲击韧性。但是高温合金属于难加工材料，在切削加工过程中若条件选择不当，易出现刀具磨损过快、加工质量较差等问题[1]。由于具有良好的切削稳定性，晶须增韧陶瓷刀片在高温合金的切削中得到越来越广泛的应用。但是作为切削高温合金的一种新型刀具，其切削机理还未得到充分阐述。为此，本文通过切削机理的研究，得出了陶瓷刀具切削高温合金的最佳工艺条件。 ; u, m" g: c. B7 N 高温合金和陶瓷刀具的材料属性 ) O- g4 {! x( h5 ]% g' n# ~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]。 图1 试验台现场 现在切削高温合金的刀具材料多为涂层和非涂层硬质合金，但是存在较多问题，比如刀具磨损严重[3]、一般切削速度低于100mm/min[4]。陶瓷刀具磨损能力较强，热稳定性好，尤其在1200~1400℃，硬度仍然能达到80HRA[5]，其抗磨损的能力相当，抗弯强度较强，而价格相对较低，陶瓷刀具的性价比更高些。高温合金对刀具的磨损主要表现为月牙洼磨损[6]，陶瓷刀具的抗月牙洼磨损的能力较强。 $ u! z6 c9 L' T 7 X+ f) S+ m8 e/ }陶瓷刀片车削高温合金试验系统 ( C/ |8 x; T* r * J  \- m3 O' Y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。 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。 5 B9 Q3 W* n9 {6 H2 F% s6 Q4 M4 X" P图2 陶瓷圆刀片 为了降低切削温度、延长刀具寿命、改善润滑条件[7]，本试验采用微量润滑切削（MQL）辅助系统，设备如图3所示。 图3 汽雾冷却系统 试验方法及试验数据分析 7 m( M1 v) ~9 f$ T 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。 5 Q- C+ b$ x0 s; Q( x1 车削GH4169单因素试验研究 ' w. a4 V+ V) P8 j ' {( B+ m, A9 g/ C$ J" E2 `& v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。 , {8 l$ z8 T+ N. V* b （1）切削速度对切削力及表面粗糙度的影响。 - i* ?5 I7 q- o" v% O ! f$ r7 D  X  N3 U) ]4 z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。 （2）切削深度对切削力及表面粗糙度的影响。 ( |" n+ R9 Y) w5 j( V- _! Q+ j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。 （3）进给量对切削力及表面粗糙度的影响 - \# O8 s4 Y1 }4 A3 e! o5 z+ C 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。 2 车削GH4169正交试验研究 : T- y0 E2 \# z& O- c0 n* ^: h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。 根据正交试验得到的试验结果为：对于切削力而言，切削速度与切削深度影响较大，而进给量的影响较小；对表面粗糙度而言，与切削3要素都有比较明显的关系。综合考虑切削力和表面粗糙度，并且几何单因素试验的试验结果，可以得到WG300陶瓷圆刀片精车GH4169 的最优切削参数。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。 & g# C1 P- @/ L0 P3 刀具磨损及破损形式分析 1 @  E& Q& P4 T! O8 e4 ?/ b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。 ( T! Z& @4 U& @' ?" Z6 w: C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。 结束语 （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。 （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。   q: S# m; r3 h' \9 ` ( p/ j, s9 l# b  p（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。 % o7 V  t9 K. O3 T* z - h* [# v! N$ ]) ~0 S" c参 考 文 献 5 s1 B  o1 S8 z  F: ^' Z[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. 2 b! g0 O0 w5 U6 U7 w- X* k' N[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. 1 u* j0 F: O0 C& v0 _7 \[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. [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. 9 K3 R0 _8 Z: ?' b[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. [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， 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)

狙击手

全文，没有说为什么用圆刀片？  
( q  }  `) W: ?) p% n   其中 讲述的涂层合金刀片的对比轻描淡写一概而过了。

黑色陶瓷车刀

圆刀片利用率高啊，如果有阶梯或清根就选菱形或其他型号了
, _, B8 U. {: ]( X0 F

圈泥子

提高利用率的理由貌似不太充分。

askjhgff

人才啊。{:soso_e192:}

joseph8779

这种刀片英文叫Wisker Ceramic刀片，好多国际大厂都有出了，上次试过ISCAR的，线速度要150m/min以上，操作人员吓了一大跳，因为在他的印像中，INCONEL718最多60m/min, 怪他一直用硬质合金刀片。那次尝试不成功，因为是薄壁管，刀片是CNMG, 水溶性切削液。我认为这种陶瓷刀片应用条件比较苛刻，最好是实心工件，只适合粗加工，精加工还不能取代硬质合金。至于为何是圆刀片，因为它是圆的，最均衡而最坚固。

小艾子

看的不是很懂的 唉  不过这技术 真的是很高超呢

把刀用好

由于陶瓷刀具和CBN刀具对系统刚性和稳定性要求比较高，所以不太建议在普车上使用，尤其是使用大圆角的负角刀片。这个实验里的刀具材料脱落、切削刃崩刃很有可能是这个原因。

jm2018qz

从小就在一个畸形的家庭长大的舞瞳，

花一一

滚滚黄河之水，浩浩荡荡，恣意东流