陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金的磨損機(jī)理

劉玉波，徐衍鋒，馮 準(zhǔn)

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，哈爾濱 150022)

陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金的磨損機(jī)理

劉玉波1，徐衍鋒2，馮 準(zhǔn)1

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，哈爾濱 150022)

為探討高速切削中陶瓷刀具的磨損機(jī)理，以鎳基高溫合金GH4169為加工材料，采用仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究不同銑削深度、寬度及切削速度對(duì)刀具應(yīng)力分布和磨損形貌的影響規(guī)律。結(jié)果表明: 陶瓷刀具切削加工的仿真應(yīng)力云圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。隨銑削深度增加，刀具前刀面應(yīng)力集中，刀具磨損有增大趨勢(shì)；隨銑削寬度增加，刀具前刀面磨損區(qū)域擴(kuò)大，但刀具磨損程度相對(duì)減少。隨切削速度增加，刀具后刀面溝槽磨損值有減小趨勢(shì)。該研究可為陶瓷刀具高速加工切削參數(shù)的選擇提供理論參考。

陶瓷刀具；鎳基高溫合金；刀具磨損

0 引 言

鎳基高溫合金具有優(yōu)良的熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性能和熱疲勞性能，是制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)的葉輪、葉片等耐熱薄壁類零部件的主要材料之一[1]。鎳基高溫合金強(qiáng)度高、塑性大，在加工過程中切削力大、切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重，是典型的難加工材料[2]。

陶瓷刀具因其抗磨損能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好，尤其在1 200～1 400 ℃，硬度仍能達(dá)到80HRA，切削速度可超過200 m/min，超過涂層硬質(zhì)合金刀具，所以被廣泛應(yīng)用于鎳基高溫合金切削加工[3-5]。然而，鎳基高溫合金在加工過程中，陶瓷刀具易發(fā)生磨損，嚴(yán)重的刀具磨損不僅對(duì)加工效率和加工表面質(zhì)量有較大影響，而且關(guān)系到加工成本，因此，文中采用銑削仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，選用鎳基高溫合金GH4169作為加工材料，通過顯微觀察和理論分析，對(duì)刀具磨損機(jī)理進(jìn)行探討性研究，以期提高刀具的利用率、降低磨損，達(dá)到高效切削的目的。

1 仿真分析

1.1 有限元模型的建立

首先建立3-D銑削仿真模塊，設(shè)置工件的尺寸和材料，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用刀具設(shè)置刀具參數(shù)，并指定刀具所用材料，最后設(shè)置工藝參數(shù)，完成有限元模型的建立。

AdvantEdge FEM 軟件[6]的建模需要按照軟件提供的模塊中輸入相關(guān)參數(shù)，主要有工件的尺寸，材料性質(zhì)、刀具幾何尺寸、工藝參數(shù)。AdvantEdge FEM軟件的網(wǎng)格劃分可以通過定義刀具和工件的最小網(wǎng)格單元尺寸、最大網(wǎng)格單元尺寸以及網(wǎng)格自適應(yīng)重劃系數(shù)來確定。

AdvantEdge FEM 軟件建模過程中在相應(yīng)的對(duì)話框中輸入?yún)?shù)，完成刀具模塊、工藝參數(shù)模塊參數(shù)的設(shè)定。仿真中使用的是圓形刀片，刀具直徑為12.5 mm，徑向前角和軸向前角為0°，刀具圓角半徑為0.04 mm,刀片齒數(shù)為2。刀具銑削方式為順銑，改變銑削寬度和深度，進(jìn)行銑削仿真。

1.2 結(jié)果與分析

采用WG300圓刀片切削鎳基高溫合金GH4169材料[7]，進(jìn)行切削過程仿真。刀具前角為0°，銑削速度v=240 m/min，每齒進(jìn)給量f=0.15 mm/z，改變銑削深度ap和銑削寬度ae，刀具應(yīng)力仿真云圖如圖1所示。

a ap=1 mm，ae=16 mm

b ap=2 mm，ae=8 mm

c ap=2 mm，ae=16 mm

由圖1可見，隨切削區(qū)域面積增大，圖1c中的應(yīng)力分布比圖1a和b應(yīng)力分布要廣，當(dāng)銑削深度由1 mm增加到2 mm時(shí)，刀具刃口的應(yīng)力分布由不均勻向均勻轉(zhuǎn)變。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是切削時(shí)，在刀具刃口的切削半徑較小，使得這個(gè)切削點(diǎn)的線速度較小，且刀具與工件接觸部分發(fā)生擠壓，使刀具刃口區(qū)域受到較大的集中應(yīng)力；當(dāng)銑削寬度增加，工件與刀具接觸面積增大，材料去除量大，在切削區(qū)域，工件和切屑能帶走部分熱和應(yīng)力，使得刀具在該區(qū)域的溫度和應(yīng)力降低。

2 切削實(shí)驗(yàn)

2.1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用的材料是經(jīng)過固溶處理后的塊狀材料GH4169，采用的刀具為鑲片三面刃銑刀，銑刀材料為Greeleaf公司W(wǎng)G300，WG300是采用SiCw晶須增韌Al2O3基陶瓷生產(chǎn)的陶瓷刀具，直徑為φ8 mm，刀片型號(hào)為RPGN-2.52 T1A，刀桿型號(hào)為WSRP-2520R，直徑為φ25 mm；加工方式為干切、順銑；實(shí)驗(yàn)中采用的機(jī)床為奧地利進(jìn)口機(jī)床EMCO FAMUP MC120-60 四軸數(shù)控立式銑削中心，該機(jī)床最高轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，主軸功率為22.5 kW；選用Dino-Lite數(shù)字顯微鏡測(cè)量刀具后刀面磨損值；利用MX2600FE掃描電鏡對(duì)刀具磨損部位進(jìn)行高倍放大拍照，獲得刀具磨損形貌，該掃描電鏡配置的能譜儀為OXFORD。

2.2 結(jié)果與分析

刀具前刀面磨損實(shí)驗(yàn)中，切削速度v=240 m/min，每齒進(jìn)給量f=0.15 mm/z，改變銑削深度和寬度，掃描電鏡下觀察刀具前刀面磨損形貌如圖2所示。

a ap=1 mm，ae=16 mm

b ap=2 mm，ae=8 mm

c ap=2 mm，ae=16 mm

由圖2可見，前刀面的破損程度隨著銑削深度的增加而磨損形式增多，銑削深度ap=1 mm時(shí)，前刀面的磨損形式是溝槽磨損(圖2a)；當(dāng)銑削深度增加為ap=2 mm時(shí)，前刀面除了溝槽磨損加劇外，還有月牙洼磨損(圖2b)，造成前刀面磨損逐漸加重的原因是，隨著銑削深度的增加刀具前刀面和工件接觸區(qū)域切削應(yīng)力逐漸增加。從仿真分析中也可以得知，加工時(shí)的切削應(yīng)力高的區(qū)域基本上都集中在刀具的前刀面，切屑底面與前刀面在切削過程中由于接觸區(qū)高溫高壓作用，切屑將在刀具的前刀面上逐漸磨成一個(gè)月牙形凹坑，造成月牙洼磨損。銑削深度不變，增加銑削寬度，從刀具磨損形貌圖圖2c中可見，刀具磨損區(qū)域隨之增加，但刀具磨損程度有所降低，這說明隨著銑削寬度增加，單位切削體積增大，切削熱也增加，使工件材料軟化，降低切削力，并且隨著加工過程中排出的切屑增加，切屑帶走一部分切削熱，減少零件的內(nèi)應(yīng)力，從而影響切削過程中刀具的磨損狀態(tài)。雖然刀具切削區(qū)域增加，但刀具磨損程度有所降低，這與仿真結(jié)果相吻合，所以采用陶瓷刀具進(jìn)行切削加工鎳基高溫合金材料時(shí)，一般將銑削深度選在1～3 mm，銑削寬度可適當(dāng)增加，從而減少刀具磨損。通過仿真，也可以解釋采用這種切削參數(shù)的原因。

后刀面磨損實(shí)驗(yàn)中，在相同的銑削深度和每齒進(jìn)給量下改變切削速度。銑削深度為0.7 mm，進(jìn)給量為0.06 mm/z，切削速度分別為600、720、864和1 037 m/min，切削時(shí)間為30 s，切削完成后，采用Dino-Lite數(shù)字顯微鏡測(cè)量每把刀具的后刀面溝槽磨損值VN分別為0.432、0.275、0.253和0.363 mm。陶瓷刀具在不同切削速度下的后刀面溝槽磨損形貌如圖3所示。

從圖3可以看出，邊界磨損發(fā)生在刀具后刀面的刀具-工件接觸邊緣上，形狀為一狹長溝槽，即陶瓷刀具的失效形式為溝槽磨損。隨著切削速度的增加，刀具的溝槽磨損值VN有減小趨勢(shì)，在v=600 m/min時(shí)，溝槽磨損的值最大，并且溝槽部位刀具材料的缺損面積要大于其他三種切削速度下的溝槽磨損值。在v=864 m/min時(shí)，陶瓷刀具溝槽磨損值最小，溝槽部位刀具材料的缺損面積也最小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)樵诘退贄l件下，較低的切削溫度，工件材料的粘結(jié)作用造成溝槽磨損的產(chǎn)生。而在高速條件下，較高的溫度為工件材料的氧化和軟化提供了條件，氧化膜的形成以及工件材料粘附強(qiáng)度的降低，使得工件材料對(duì)溝槽的粘附作用減弱。因此，陶瓷刀具的溝槽磨損程度在某一切削速度范圍內(nèi)隨著切削速度的提高而降低，陶瓷刀具WG300更適合于鎳基高溫合金的高速切削。

a v=600 m/min

b v=720 m/min

c v=864 m/min

d v=1 037 m/min

3 結(jié)束語

陶瓷刀具高速銑削鎳基高溫合金材料，刀具磨損形態(tài)主要為溝槽磨損。通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究在不同切削條件下的刀具磨損，結(jié)果表明，隨著銑削深度的增加，刀具前刀面磨損程度增大，同時(shí)磨損形態(tài)以溝槽磨損和月牙洼磨損為主；隨著銑削寬度的增加，刀具前刀面磨損區(qū)域增加，仍以溝槽磨損和月牙洼磨損為主，但刀具磨損的程度相對(duì)減少，使刀具壽命增加；隨著切削速度的增加，后刀面的磨損為溝槽磨損，并且溝槽磨損值呈減少趨勢(shì)。所以，采用陶瓷刀具進(jìn)行切削加工鎳基高溫合金材料時(shí)，一般將銑削深度選在1～3 mm，銑削寬度可適當(dāng)增加，并且提高切削速度。

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(編校 王 冬)

Mechanism tool wear of ceramic tools used for high speed milling of nickel-based superalloys

LiuYubo1，XuYanfeng2，F(xiàn)engZhun1

(1.School of Mechanical Engineering，Heilongjiang University of Science & Technology，Harbin 150022，China;2.Center for Engineering Training & Basic Experimentation，Heilongjiang University of Science & Technology，Harbin 150022，China)

This paper seeks to investigate the wear mechanism underlying ceramic cutting tools in high speed cutting.The study drawing on GH4169 and using the combination of simulation and experiment delves into the law behind the effect of different milling depth,milling width and cutting speed on tool stress distribution and wear morphology.The results show that the consistency exists between the simulated stress nephogram and the experimental results; an increase in milling depth gives tool rake face a concentrated stress,increasing the tool wear trend; an increase in milling width means an enlarged wear area of the tool rake face,but accompanied by a relative reduction in the tool wear degree; and an increase in cutting speed leads to a decreasing trend in the wear value of the groove of the tool flanks.The research may provide theoretical guidance for cutting parameters selection of high speed machining of ceramic tools.

ceramic cutter; nickel-based superalloy; tool wear

2017-02-23

劉玉波(1977-)，女，黑龍江省蘭西人，副教授，博士，研究方向：數(shù)控加工過程仿真及優(yōu)化，E-mail:ysclx@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.016

TG506.7

2095-7262(2017)02-0172-04

A