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陶瓷刀具干铣削超高强度钢试验研究
2005年8月26日 9:26  来源:切削技术—技术专题

1 引言

难加工材料切削技术的研究在理论和实践上都具有重要意义。本项目的研究对象为某牌号超高强度钢,该钢种材料Ni、Cr、Mo元素含量较高,具有高硬度(>45HRC)、高强度(抗弯强度1174MPa)和良好的韧性,因其优异的物理、力学性能而在国防工业上有着重要应用。该钢种的总体加工性能等级为8级,属于典型的难加工材料,目前主要使用硬质合金刀具进行切削加工,但刀具磨损、破损严重,加工效率低,加工成本高,严重制约了生产的顺利进行。本研究分别采用Al2O3基、Al2O3-Ti(NC)基和Si3N4-Al2O3基三种陶瓷刀具对该牌号超高强度钢进行了干铣削加工试验,通过研究其切削性能,探讨适合加工该材料的有效刀具及工艺方法。

2 试验条件与方法

  1. 试验条件
    试件材料:某牌号超高强度钢,试件尺寸160mm×60mm ×60mm。
    试验刀具:YT15硬质合金刀片, Al2O3基、Al2O3-Ti(NC)基和Si3N4-Al2O3基陶瓷刀具。三种陶瓷刀具的成分及性能见表1。
    表1 陶瓷刀具牌号及性能
    试验刀具 成分 系列 硬度
    (HRA)
    抗弯强度
    (MPa)
    陶瓷刀具1 Si3N4+Al2O3+TiC Si3N4-Al2O394 850
    陶瓷刀具2 Al2O3+Ti(NC) Al2O3-Ti(NC)基 94.5 850
    陶瓷刀具 3 Al2O3+TiC Al2O393.5 880~030
    刀具几何参数:g0=0°,a0=0°,br1×g01=1mm×15°,re=2.5mm。
    切削方式:单齿端面对称干铣削。
    铣刀盘:d=125mm,gp=-9°,gr=-3°。
    机床XS5040型立式升降台铣床。
    测量装置:小型工具显微镜,Kistler三向压电晶体测力仪,表面粗糙度测量仪
  2. 刀具耐用度试验方法
    在进给量f=0.1mm/r,切削深度ap=1mm,切削速度分别为V=123、157m/min的切削条件下,分别对三种陶瓷刀具进行刀具耐用度试验,绘出刀具磨损曲线,并建立T-V经验公式。
  3. 铣削力试验方法
    在进给量f=0.1mm/r,切削深度ap=1mm,切削速度分别为V=123、157、196、247m/min的切削条件下,分别对YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1进行切削力试验,绘出主切削力曲线,并建立Fz-V 经验公式。
  4. 加工表面粗糙度试验方法
    在切削速度V=123、157m/min的条件下,分别用三种陶瓷刀具进行切削试验,并测量、记录已加工工件的表面粗糙度值。

3 试验结果与分析

  1. 切削条件对刀具耐用度的影响本试验中,在相同切削用量(V=123、157m/min,ap=1mm,f=0.1mm/r)下得到的三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线如图1所示。

    (a)V=123 m/min

    (b)V=157 m/min
    图1 三种陶瓷刀具的后刀面磨损曲线
    由图可见,陶瓷刀具- 在正常磨损阶段的磨损较剧烈,在很短时间内就达到了刀具磨钝标准;陶瓷刀具1、3的耐磨性较好,在刀具正常磨损阶段的磨损较缓慢、均匀,与目前生产中普遍采用的YT15硬质合金刀具相比,刀具耐用度有较大幅度提高。
    陶瓷刀具2在两种切削速度条件下磨损均较严重的原因是切削温度较高,工件材料中的Ni向刀具中心扩散,使刀具表面硬度下降,刀具材料与工件材料亲和性增大,粘结磨损随之增大,导致刀具耐用度降低。陶瓷刀具3的耐用度在V=157 m/min时较V=123 m/min时明显下降,这是因为V=123 m/min时刀具的主要磨损机制为磨料磨损和粘结磨损,刀具磨损较慢,因而耐用度较高;当V=157 m/min时,随着切削温度升高,扩散磨损在刀具磨损中所占比重上升,使刀具材料性能降低,刀具磨损加剧。陶瓷刀具1的耐用度最高(36min),这是因为刀具材料中的Si3N4和TiC在切削过程中被氧化,在摩擦表面生成的含Si、Ti 氧化物起到了固体润滑剂作用,可显著降低刀具后刀面与工件间的摩擦力,从而减轻了刀具的粘结磨损,提高了刀具耐磨性。
    对试验数据进行线性回归分析,可得出三种陶瓷刀具在f=0.1mm/r、ap=1mm 切削用量下铣削超高强度钢的T-V经验公式分别为
    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为耐用度,r为相关系数,表示T与V之间相关关系的密切程度。上述经验公式反映了三种陶瓷刀具的耐用度与切削速度之间的关系,为后续试验中切削速度的选择提供了重要依据。
  2. 切削条件对切削力的影响
    本试验中,在相同切削用量(V=123、157、196、247m/min,f=1.1mm/r,ap=1mm)下得到的YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1的主切削力曲线如图2所示。

    图2 YT15、陶瓷刀具1的主切削力曲线
    由图可知:①在试验切削速度范围( V=123~247m/min)内,YT15硬质合金刀具和陶瓷刀具1的主切削力Fz随切削速度的提高而缓慢减小,这表明当切削速度较低时,切削速度的提高可导致切削力下降;②与YT15硬质合金刀片相比,陶瓷刀具1的主切削力较小,这主要是由于陶瓷刀具干切削时具有自润滑功能,即陶瓷刀具中的 Si3N4、TiC 和Ti(NC)在高温下发生氧化,氧化物附着在切屑与前刀面之间,可减小前刀面的平均摩擦系数,从而减小了主切削力。
    对试验数据进行线性回归分析,可得出这两种刀具在f=0.1mm/r,ap=1mm 切削用量下铣削超高强度钢的Fz-V经验公式分别为
    陶瓷刀具1:Fz=418V-0.102r=-0.707
    YT15刀具:Fz=379V-0.075r=-0.740
    式中,Fz为主切削力,r为相关系数,表示Fz与V之间相关关系的密切程度。
  3. 切削条件对加工表面粗糙度的影响
    本试验中,在相同切削用量( V=123、157m/min,ap=1mm,f=0.1mm/r)下获得的三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度值见表2。
    表2 三种陶瓷刀具的加工表面粗糙度
    试验刀具 V
    (m/min)
    Ra
    (µm)
    等级
    陶瓷刀具1 123 0.480 8
    157 0.770 7
    陶瓷刀具2 123 0.514 8
    157 0.486 8
    陶瓷刀具3 123 0.512 8
    157 0.604 8
    由表2 可知,工件的加工表面粗糙度值均在Ra0.480~0.770µm之间,这表明用陶瓷刀具加工超高强度钢可获得较好的表面质量。这主要因为:①由于试验采用端铣方式,由主切削刃起切除作用,而过渡刃和副切削刃起到了修光作用;②工件材料硬度高、韧性好,加工中塑性变形较大,刀具与加工表面的挤压作用在一定程度上提高了加工表面质量;③陶瓷刀具材料的自润滑性能较好,刀具材料与工件之间的摩擦系数较小,铣削过程中刀具与工件的摩擦力较小,不易在前刀面形成滞留层和积屑瘤,因此可获得较好的加工表面质量。

4 结论

  1. 刀具耐用度试验表明:用陶瓷刀具加工超高强度钢可显著提高刀具耐用度,其中Si3N4-Al2O3基陶瓷刀具的切削性能最佳。
  2. 切削力试验表明:采用陶瓷刀具加工超高强度钢时的主切削力较采用YT15硬质合金刀具时有所下降。
  3. 用陶瓷刀具加工超高强度钢可获得较好的表面质量,加工表面粗糙度在Ra0.480~0.770µm之间。
 
 [关键词]:刀具 铣削 陶瓷  发表评论    【推荐】 【打印

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