CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损..docVIP

CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损粉末高温合金与其他的铸造和变形高温合金相同，含有许多高熔点合金元素，例如，FGH95(FG02-01)粉末高温合金就含有铬、钴、钼、铌、镍、铁、钽等。种粉末高温合金先将合金制成粉末，经热等静压成形，再经锻造而制成的。粉末高温合金的g相含量约为50%(体积)，组织均匀，晶粒细小，屈服强度高，抗疲劳性能好，可用于制造涡轮发动机的涡轮盘等。由于g相含量高，且弥散分布于晶粒间，使粉末高温合金得到很大的强化效应，且在相当高的温度范围内，随温度升高，其硬度反而有所提高，使切削加工性很差。车削时，若采用硬质合金刀具，则刀具磨损十分严重，为此，内外相继研究采用新刀具材料加工粉末高温合金，与YD15和YG10HT等硬质合金刀片的切削寿命相比，立方氮化硼(CBN)刀片的切削寿命可提高很多倍。试验结果表明，CBN刀片是精车、半精车粉末高温合金的一种理想的刀具材料。 1 试验用CBN刀片及刀具几何数 1) CBN刀片 目前所用的CBN 刀片有CBN聚晶体型和CBN与硬质合金的复合聚晶型，前者称作聚晶CBN刀片，后者称作复合聚晶CBN刀片。复合聚晶CBN刀片的基底是硬质合金(图1)，其目的是使刀片既有超硬层的高硬度，又有硬质合金相对较高的韧性，并可节约昂贵的超硬材料。CBN刀片的切削性能优越，不仅可用来加工淬硬的材料，而且可加工其他难加工材料。 图1 复合聚晶CBN刀片(GE6000) 本课题采用了图1所示的美国通用电器公司(GE)生产的复合聚晶CBN刀片(以下简称CBN刀片)，其牌号为GE6000，其中含有96%的CBN及4%的Co。CBN基底为硬质合金(WC+Co)，在高温高压条件下，Co从扩散源(硬质合金)基体出发，沿CBN晶界形成Co网络。提高这种CBN刀片质量的关键是减小CBN层与硬质合金层之间的应力差。 图2示出CBN 聚晶体的扫描电镜图片，可明显看出类同水泥地龟裂的晶界。晶界处富集着“杂质组元”，因而在切削力冲击作用下，CBN刀片会发生颗粒剥落或微崩刃。由此看出，使用CBN刀片切削时，机床刚度应较高，而且切削过程中的切削力应基本稳定。 图2 CBN聚晶体扫描电镜图片(×3 500) 2) 车削FGH95粉末高温合金的刀具几何参数 刀具几何参数对CBN刀片的切削寿命有很大影响。刀具宜取负前角，对于精车刀具，可用0°～-10°；对于半精车刀具可超过-10°；。刀具后角可在6°～12°范围内选取。为了增强刀刃，可采用负倒棱和刀尖圆弧，负倒棱宽度br1可取0.1mm，负前角gr1可取-10°～-20°，刀尖圆弧半径re可取0.5～1mm。 本项试验所采用的CBN刀具的几何参数见图3。由于机夹刀具的刀夹底面倾斜6°，故实际的工作前角g0=-6°，实际的工作后角a0=6°，实际的负倒棱前角g01=-21°。 图3 车削FGH95时采用的CBN刀具几何参数 2 车削粉末高温合金的刀具磨损特征 用硬质合金刀具车削粉末高温合金时，刀具磨损剧烈，很快失效。刀具的磨损形貌见图4(工件材料：FGH95；刀片材料：YT726；切削用量：v=15m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r)。图4(a)示出后刀面磨损，既包含了主后刀面磨损，又包含了副后刀面磨损，因而在刀尖区形成了三角形磨损带，后刀面磨损值VB=0.15mm，该磨损值是在刀片的切削路程l仅为3.6m的条件下形成的；图4(b)示出硬质合金刀尖塌陷的形貌，这是由于在较大切削力和切削温度作用下，刀片表面层出现塑性变形而造成的；图4(c)示出刀具前刀面的磨损凹坑，硬质合金已崩碎，而且因刀具表面与粉末高温合金粘结的原因，使硬质合金微粒随切屑一同带走，形成了刀具材料的局部剥落，切削刃已呈现须状崩碎纹。由此可见，用硬质合金刀片车削粉末高温合金的刀具磨损是相当严重的，在经历很短的切削路程条件下，也难以保证必要的加工精度。 (a)后刀面磨损(×400) (b)刀尖塌陷(×650) (c)前刀面破碎磨损凹坑(×300) 图4 硬质合金刀片车削粉末高温合金的磨损形貌 用CBN刀片车削粉末高温合金时，刀具磨损量很小，若在扫描电镜下观察刀具后刀面，可发现刀刃并无缺损，仅沿主刀刃和副刀刃处有一条白带，见图5(工件材料：FGH95；刀具材料：GE6000；切削用量：v=70m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r；切削距离l=151m)。图中右边示出CBN刀片车削FGH95粉末高温合金时形成的带状切屑。这条白带是一层粘附物，是粘结在刀具表面上的粉末高温合金材料，呈层叠云雾状。主后刀面和副后刀面的粘附物形态示于图6(切削条件与图5相同)。从整体上看，CBN车刀车削粉末高温合金的后刀面粘附与硬质合金车削时不同，CBN车刀的粘附物较少，只有极薄的一层，而且粘附宽度很窄。