銑削粉末冶金高溫合金的刀具優(yōu)選試驗*

喬 陽 艾 興 劉戰(zhàn)強 趙 軍

（山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250061）

銑削粉末冶金高溫合金的刀具優(yōu)選試驗*

喬 陽 艾 興 劉戰(zhàn)強 趙 軍

（山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250061）

針對粉末冶金高溫合金材料的銑削特性，選擇了合理的刀片材質。通過刀具磨損與壽命對比試驗，優(yōu)選出了最佳的刀片牌號及幾何參數(shù)。研究結果表明：SECO SEMX1505AFTN-MD20-F30M涂層硬質合金刀片適用于銑削粉末冶金高溫合金，并對涂層硬質合金刀具前、后刀面的磨損形貌和失效機理進行了分析。

粉末冶金高溫合金 刀具優(yōu)選 涂層硬質合金 切削性能 磨損機理國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助（2009CB724401）

粉末冶金高溫合金是隨著航空發(fā)動機向著大功率、高推重比的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型高溫材料。主要用于制造航空發(fā)動機壓氣機盤、渦輪盤和軸等承受高溫、大載荷部件［1］。由于其材料本身的化學成分及獨特的多孔性結構，在較小的面積內其硬度值也有一定的波動。即使測得的宏觀硬度為20～35 HRC，但組成零件的顆粒硬度會高達60 HRC，這些硬顆粒會導致嚴重而急劇的刃口磨損［2］，因此粉末冶金高溫合金是典型的難加工材料。主要表現(xiàn)為切削溫度高、刀具磨破損嚴重、加工質量難以保證等，一般只能在低速進行加工，加工效率低。

目前系統(tǒng)研究粉末冶金高溫合金不同加工條件和加工方式下刀具材料、刀具磨損機理、刀具壽命和加工參數(shù)選擇問題的比較少，主要集中在車削方面［3～8］，針對銑削的文獻資料少見報道。

表1 粉末冶金高溫合金主要化學成分/%

表2 粉末冶金高溫合金的力學性能

本文針對材料的銑削特性，通過優(yōu)選涂層硬質合金刀具、刀片幾何參數(shù)，提高了材料銑削效率和刀具壽命，為高效銑削加工粉末冶金高溫合金刀具材料的合理選擇和設計提供了試驗依據(jù)。

1 材料銑削特性分析

試驗用粉末冶金高溫合金的組成成分和物理力學性能見表1和表2。其主要機械性能為：硬度31～33 HRC，抗拉強度為1 300 MPa。從化學成分和機械性能的角度分析：由于Ni、Cr、Mo等元素的存在，尤其是Ni元素的大量存在提高了工件材料的硬度和強度，降低了導熱系數(shù)，容易產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。銑削屬斷續(xù)加工，切削時機械和熱沖擊嚴重，切削力和切削溫度高。Co元素化學活性大，它的存在將加劇擴散磨損和粘結磨損。因此，材料的銑削加工性較差，屬于典型的難加工材料。具體表現(xiàn)為刀具磨損、破損失效嚴重，銑削加工效率低，切削加工質量不易保證等。

2 刀具材料粗選

目前常用于切削粉末冶金高溫合金的刀具材料有硬質合金、陶瓷和立方氮化硼等。不同材料的刀具對粉末冶金高溫合金的加工能力差異很大。硬質合金刀具的硬度、耐磨性、耐熱性等綜合性能比較高，目前已成為國內外使用較為廣泛的刀具材料。陶瓷刀具硬度高、化學穩(wěn)定性好、高溫時抗粘結性好，所以在粉末冶金高溫合金的切削加工中有一定的應用［7，8］。但陶瓷刀具最大缺點是脆性大、強度低，其導熱系數(shù)比硬質合金低，而熱膨脹系數(shù)卻高于硬質合金，故在切削加工中容易產(chǎn)生熱積蓄，難以承受熱沖擊的變化。所以加工中陶瓷刀具容易因熱裂紋而產(chǎn)生崩刃等損傷，特別是在大切削量斷續(xù)切削中極易引起崩刃。立方氮化硼刀具的優(yōu)勢是硬度高，但脆性大、強度低、刀具價格昂貴的劣勢，使其不太適用于傳統(tǒng)的切削加工。綜合比較三種材料的性能，盡管硬質合金刀具在切削粉末冶金高溫合金過程中刀片易產(chǎn)生粘結磨損現(xiàn)象，但由于其抗沖擊性能比較好，相對刀具使用壽命較長。又由于涂層硬質合金的綜合機械性能比普通硬質合金刀具有明顯提高，比較適合加工粉末冶金高溫合金。因此本試驗選用硬度較高、耐磨性較好的涂層硬質合金刀具進行切削試驗。

3 刀具材料優(yōu)選試驗

3.1 試驗條件

通過刀具材料粗選，選擇了三種不同幾何參數(shù)的刀片和與之配合使用的刀體，見表3和表4。

表3 試驗用刀體和刀片

切削參數(shù)：V=30 m/min，fz=0.1 mm/r，ae=10 mm，ap=0.2 mm，順銑，單齒干切削。

優(yōu)選判據(jù)：刀具失效判據(jù)為平均后刀面磨損VB=0.3 mm或最大后刀面磨損VBmax=0.6 mm［9］。

試驗設備：DAEWOO AVC－50立式加工中心，TR200便攜式表面粗糙度測量儀，工具顯微鏡。切削試驗結束后采用掃描電鏡（SEM）對刀具的磨損形貌進行分析。

表4 銑刀片的幾何參數(shù)

3.2 試驗結果

因為試驗中所采用的兩個刀體直徑不同，相同的速度下轉速并不相同，在此采用了銑削路徑L（mm）的概念加以對比。

式中：n為轉速，r/min;fz為進給量，mm/r;s為銑削時間，min。

需要指出的是，在試驗過程中，刀片都是在切削過程中突然發(fā)生刀尖崩碎的現(xiàn)象。圖1所示磨損曲線是在刀具僅發(fā)生正常磨損的情況下獲得的。從磨損曲線可以看出MD20刀片的銑削路徑較長，其切削性能優(yōu)于另外兩種刀片，切削效率較高。

圖2是3種刀片失效后的后刀面磨損SEM照片。從圖中可以看出KC725M刀片的磨損比較嚴重，涂層出現(xiàn)了大面積的層狀剝落。MD20和M12刀片的后刀面磨損形貌比較相似，但是M12刀片的磨損帶寬度明顯大于MD20刀片，而且也可以看到M12刀片的前刀面出現(xiàn)了組織疏松和剝落的現(xiàn)象。

3.3 刀具壽命試驗

根據(jù)優(yōu)選結果，使用切削性能較優(yōu)的MD20刀片進行不同速度下的刀具磨損試驗，得出刀具壽命，結果見表5。

表5 試驗刀具的壽命

通過刀具壽命試驗，在30～70 m/min的銑削速度范圍內，刀具壽命可達20～108 min，表面粗糙度均在1 μm以下，能夠滿足精加工及生產(chǎn)實踐需要。

從圖3中可以看出涂層刀具MD20前刀面的主要失效形式為微崩和剝落，這主要是磨粒磨損的原因。這是由工件材料的物理機械性能、化學成分及獨特的多孔性結構造成的。從圖3b可以清楚地看出涂層材料剝落后，粘結在刀具基體上的粘結物，這種情況同樣發(fā)生在后刀面上，從圖4中可見。后刀面放大圖中可以明顯看出裂紋沿著切削刃方向橫向擴展，這將最終導致層狀撕裂。這是由于銑削加工屬于斷續(xù)切削，切削刃受到反復的接觸應力、摩擦應力和熱應力所帶來的強烈的機械和熱沖擊。另外加上工件材料的強度高及其微觀組織中存在的硬質相，從而造成崩刃等刀具失效形式。

4 結語

通過以上刀具材料粗選及優(yōu)選，銑削粉末冶金高溫合金對比試驗結果表明：SECO SEMX1505AFTNMD20－F30M涂層硬質合金刀片對該粉末冶金高溫合金的銑削性能較好。在30～70 m/min的速度范圍內，刀具壽命可達20～108 min，表面質量達到精加工要求，能滿足生產(chǎn)實踐需要。刀具的主要失效形式是崩刃及剝落，其機理是磨粒磨損、粘結磨損等綜合作用的結果。由于試驗中工件材料的強度高以及其內在的多孔結構，銑削加工時應選擇高強度和抗高溫的刀片。適宜選擇0°前角刀片，以期增加切削刃強度。

1 張義文.俄羅斯粉末冶金高溫合金［J］.鋼鐵研究學報.1998，10（3）

2 朱從容，王魄，王春濤.粉末冶金零件的車削加工［J］.機械工程師.2003（7）

3 辛民，王西彬，康運江，等.高速干切削鐵基粉末冶金零件時細晶粒硬質合金刀具的切削性能研究［J］.工具技術.2006，40（6）

4 辛民，王西彬，康運江等.鐵基粉末冶金材料的高速干切削試驗研究［J］.工具技術.2006，40（7）

5 辛民，王西彬，康運江，等.鎳基粉末冶金零件的切削試驗研究［J］.工具技術.2005，39（6）

6 韓立發(fā)，屈盛宮，夏偉.涂層刀具切削鐵基粉末冶金復合材料時的磨損機理［J］.機械制造.2007，45（509）

7 韓立發(fā)，夏偉，屈盛宮.陶瓷刀具車削鐵基粉末冶金復合材料時的磨損機理研究［J］.工具技術.2007，41（4）

8 康運江，王西彬，辛民，等.陶瓷刀具車削鉻鉬鎳耐磨粉末冶金零件的研究［J］.機械加工與自動化.2004（4）

9 仇啟源，龐思勤.現(xiàn)代金屬切削技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1989.

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Experiment on Optimal Selecting for Cutting Tools in Milling of Powder Metallurgy Superalloy

QIAO Yang，AI Xing，LIU Zhanqiang，ZHAO Jun
（Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture，Ministry of Education，Department of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，CHN）

Based on the analysis of milling characteristic about powder metallurgy superalloy，reasonable coated carbide grade was selected.Optimal brand and geometric parameters of insert were selected through contrast experiment of tool wear resistance and tool life.It is shown that the coated carbide is the proper tool material for the milling of powder metallurgy superalloy，and the wear morphology and mechanisms of coated carbide tools are investigated.

Powder Metallurgy Superalloy;Optimal Selecting;Coated Carbide Tool;Cutting Performance;Wear Mechanism

喬陽，1984年生，男，山東大學機械工程學院博士生在讀，目前從事高效切削加工及其刀具材料的研究，發(fā)表論文兩篇。

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2009－09－30）

10330