不同刀具車削GH4169時的切削性能對比*

王 奔，常 康，王碧玲，張亞飛，王明海

(1.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136 ; 2.中國航空工業(yè)空氣動力研究院，沈陽 110034)

0 引言

高溫合金在高溫下仍具有很高的抗疲勞強度、屈服強度、抗拉強度和較好的抗腐蝕性、抗氧化性[1]。目前，在已研制的航天發(fā)動機中，高溫合金材料已經(jīng)占到發(fā)動機所用材質(zhì)的一半以上[2]。因此高溫合金材料也被譽為“先進發(fā)動機基石”，高溫合金在民用工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛[3]。但是高溫合金的難加工特性也造成刀具磨損嚴重、刀具使用壽命低、工件表面加工質(zhì)量差。因此選擇合適的刀具材料對提高高溫合金的加工性能至關(guān)重要。

國外關(guān)于加工高溫合金時刀具的研究集中于不同刀具材料對刀具壽命、切削性能的影響機理，但很少涉及PCD刀具加工高溫合金。Anthony[4]研究了陶瓷刀具、硬質(zhì)合金刀具及CBN(立方氮化硼)刀具車削Inconel 718時的磨損機理及刀具壽命，結(jié)果表明CBN刀具磨損最嚴重，對刀具磨損影響最大的參數(shù)是刀具材料，其次是切削速度。Thakur[5]通過車削試驗發(fā)現(xiàn)普通刀具的切屑卷曲半徑隨著切削速度的增大而增大，涂層硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生的切屑較長，涂層硬質(zhì)合金刀具可以更有效地提高后刀面的抗磨損性能。國內(nèi)的研究局限于對刀具磨損機理的分析，鮮有關(guān)于對刀具切削性能的研究。Ji[6]重新定義了PCBN刀具的磨損形式，其研究結(jié)果表明金屬基結(jié)合劑、高CBN含量的PCBN刀具更適合切削高溫合金。超細晶WC-Co硬質(zhì)合金刀具的耐磨性明顯高于普通WC-Co硬質(zhì)合金刀具[7]。YG6刀片具有較好的耐磨性和抗沖擊性，但其使用壽命較短，而PVD 涂層硬質(zhì)合金刀具具有較高的硬度和耐磨度，可有效地延長刀具的使用壽命[8]。Wang[9]發(fā)現(xiàn)AlCrN涂層硬質(zhì)合金刀具磨損較輕，比較適合切削鎳基高溫合金GH4169。

PCD(聚晶金剛石)作為自然界中已知最硬的物質(zhì)，相對于其他刀具材料它具有高強度、低摩擦系數(shù)、導(dǎo)熱性能好的優(yōu)勢。而在以往關(guān)于車削高溫合金時刀具的研究主要集中于CBN(立方氮化硼)、涂層硬質(zhì)合金，鮮有報道PCD刀具車削GH4169時的切削性能研究。因此本文分別使用PCD、CBN、涂層硬質(zhì)合金刀具車削GH4169，并通過對比刀具磨損形貌、切屑形態(tài)、表面粗糙度來確定不同材料刀具的切削性能。

1 試驗條件及試驗設(shè)計

1.1 試驗條件工件

試驗使用的工件材料為GH4169棒料，其尺寸為φ50mm×200mm。PCD(聚晶金剛石)、CBN(立方氮化硼)刀片型號為：CCGW09T304；涂層硬質(zhì)合金刀片型號為：CCMT09T304。GH4169材料、刀片參數(shù)如表1、表2所示。

試驗利用CAK4085nj數(shù)控車床完成高溫合金材料的外圓車削，加切削液；利用VMX-2000C超大景深光學(xué)三維顯微鏡觀察刀具形貌；采用TR240表面粗糙度儀測量GH4169表面粗糙度。切削速度為36m/min、57m/min、86m/min；進給量f=0.12mm/r；背吃刀量ap=0.5mm。

表1 GH4169材料成分

表2 刀片參數(shù)

1.2 試驗步驟

為防止工件受到切削力作用而產(chǎn)生徑向變形并保證必要的安全距離，高溫合金棒料的夾持長度為95mm，加工長度為100mm。分別使用PCD(聚晶金剛石)、CBN(立方氮化硼)、涂層硬質(zhì)合金刀具在每種切削參數(shù)下車削高溫合金100mm后，觀察刀具磨損形貌，測量GH4169的已加工表面粗糙度，并收集切屑。

2 刀具切削性能的分析

2.1 不同切削速度下的刀具磨損機理

三種刀具在切削速度Vc=36m/min時的前刀面、主切削刃、后刀面的磨損形貌如圖1所示。

(a) PCD前刀面 (b) PCD主切削刃 (c) PCD后刀面

(d) CBN前刀面 (e) CBN主切削刃 (f) CBN后刀面

(g) Coated carbide 前刀面 (h) Coated carbide 主切削刃 (i) Coated carbide 后刀面 圖1 切削速度Vc=36m/min時的刀具磨損形貌

從圖1可以看出:

(1)從圖1a可以看出靠近刀尖圓弧處的切削刃出現(xiàn)了鋸齒形的崩刃，PCD(聚晶金剛石)刀具前刀面的磨損形式主要為微崩刃；從圖1d可以看出CBN(立方氮化硼)前刀面的磨損形式主要為層狀材料剝落，且剝落的區(qū)域較大；而圖1g則表明硬質(zhì)合金前刀面的磨損較小，磨損形式主要為涂層脫落及溝槽磨損。由于CBN刀具是由無數(shù)細小的CBN顆粒構(gòu)成的,晶界處富集的“雜質(zhì)組元”相當于一種“精細裂紋”，使得刃口部位的微觀強度不均勻[10]。當熱切屑流經(jīng)前刀面時,不僅會產(chǎn)生高溫摩擦,且這些“精細裂紋”隨著刀具持續(xù)的磨損而擴展,這就有可能使CBN前刀面出現(xiàn)大面積的材料剝落。

(2)對比圖1b、圖1e、圖1h可以看出CBN刀具的主切削刃破損最為嚴重。這主要是由于CBN刀具的脆性較大在較大的切削力沖擊下，CBN刀具的主切削刃發(fā)生脆性斷裂。

(3)從圖1c可以看出PCD后刀面出現(xiàn)了較嚴重的犁溝磨損；而圖1f表明CBN后刀面出現(xiàn)嚴重的溝槽磨損；從圖1i可以看出硬質(zhì)合金后刀面發(fā)生了輕微的磨損。刀具后刀面與待加工表面相對，且高溫合金含有許多硬質(zhì)顆粒，這些顆粒不斷的與刀具表面摩擦，從而產(chǎn)生溝槽磨損。

三種刀具在切削速度Vc=57m/min時的前刀面、主切削刃、后刀面的磨損形貌如圖2所示。

從圖2可以看出:

(1)從圖2a、圖2d、圖2g可以看出三種刀具的前刀面沒有較大的磨損，但其刀尖圓弧處的切削刃相對于原始切削刃都出現(xiàn)了大小不一的月牙形的凹坑，其中PCD(聚晶金剛石)刀具的凹坑最大，CBN(立方氮化硼)刀具次之，硬質(zhì)合金刀具最??；圖2e則表明CBN相對于其他刀具的主切削刃破損仍較嚴重。

(2)而圖2c、圖2f、圖2i表明三種刀具后刀面的磨損形式主要為磨料磨損，磨損程度為CBN > PCD > 涂層硬質(zhì)合金。且三種刀具在Vc=57m/min下的后刀面破損程度比Vc=36m/min下的小。

(a) PCD前刀面 (b) PCD主切削刃 (c) PCD后刀面

(d) CBN前刀面 (e) CBN主切削刃 (f) CBN后刀面

(g) Coated carbide 前刀面 (h) Coated carbide 主切削刃 (i) Coated carbide 后刀面圖2 切削速度Vc=57m/min時的刀具磨損形貌

三種刀具在切削速度Vc=86m/min時的前刀面、主切削刃、后刀面的磨損形貌如圖3所示。

(a) PCD前刀面 (b) PCD主切削刃 (c) PCD后刀面

(d) CBN前刀面 (e) CBN主切削刃 (f) CBN后刀面

(g) Coated carbide 前刀面 (h) Coated carbide 主切削刃 (i) Coated carbide 后刀面 圖3 切削速度Vc=86m/min時的刀具磨損形貌

從圖3可知：

(1)圖3a顯示出PCD(聚晶金剛石)前刀面產(chǎn)生了較大的材料剝落；而圖3d表明CBN(立方氮化硼)刀尖圓弧兩側(cè)出現(xiàn)了溝槽磨損。這可能是由于切屑的兩側(cè)部分和刀具前刀面的接觸磨損較嚴重，且加工時材料產(chǎn)生塑性流動，切屑兩側(cè)邊緣的毛刺會對前刀面產(chǎn)生持續(xù)的沖刷和劃擦，最終導(dǎo)致上述的雙側(cè)溝槽磨損。而從圖3g可看出硬質(zhì)合金前刀面磨損程度較輕，只是產(chǎn)生了涂層脫落。

(2)圖3b、圖3e、圖3h表明PCD的主切削刃磨損程度最小，硬質(zhì)合金次之，CBN刀具最差。且此切削速度下的三種刀具的磨損程度相對于Vc=36m/min和Vc=57m/min時的更小。

(3)圖3c、圖3f、圖3i表明CBN后刀面的溝槽磨損最嚴重，PCD刀具的磨料磨損較輕，涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損最小。

2.2 切屑微觀形態(tài)的分析

三種刀具在不同切削速度下的切屑形態(tài)如圖4所示，所有的切屑形態(tài)均為螺旋形切屑。圖5是螺旋屑的幾何參數(shù)，圖6是三種刀具材料的螺旋屑外徑隨切削速度的變化規(guī)律。

從圖4、圖6可以看出PCD(聚晶金剛石)的切屑外徑最小且穩(wěn)定在3.25mm左右,CBN(立方氮化硼)的切屑外徑則最大且上下浮動較大，而涂層硬質(zhì)合金的切屑外徑介于二者之間。而且PCD的切屑直徑隨Vc的增大先增大后減小，CBN與涂層硬質(zhì)合金的切屑直徑則隨Vc的增大而增大。此外PCD的螺旋屑較密集，而CBN的切屑最為松散。這是由于切屑沿刀具表面流出時，沒有受到工件或刀具的阻礙,或者受到一段時間的阻礙以后又脫離了阻礙，將形成不同形態(tài)的連續(xù)螺旋屑，切屑直徑較大時形成松散的螺旋屑；而切屑直徑較小時則形成密集的螺旋屑。

(a) Vc=36m/min

(b) Vc=57m/min

(c) Vc=86m/min 圖4 不同刀具加工的切屑形貌

圖5 螺旋形切屑的幾何參數(shù)

圖6 不同切削速度下螺旋屑的外徑

2.3 表面粗糙度的分析

已加工表面的形貌在很大程度上是刀具磨損的復(fù)映，當?shù)毒叱霈F(xiàn)磨損時，刀具缺陷將會以“復(fù)印”的形式復(fù)現(xiàn)在工件表面上，使工件表面出現(xiàn)微觀不平整的現(xiàn)象，從而影響工件的表面粗糙度[11]。分別在距離工件右端10mm、40mm、90mm附近各取4個點測量表面粗糙度，并求其平均值。圖7～圖9分別是Vc=36m/min、Vc=57m/min、Vc=86m/min時的工件表面粗糙度變化規(guī)律。

圖7 Vc=36m/min時的表面粗糙度

圖8 Vc=57m/min時的表面粗糙度

圖9 Vc=86m/min時的表面粗糙度

從圖7～圖9可以看出PCD(聚晶金剛石)刀具加工時的表面粗糙度隨切削速度的增大而減小，CBN(立方氮化硼)刀具加工時的表面粗糙度隨切削速度的增大而增大，涂層硬質(zhì)合金加工時的工件表面粗糙度值基本穩(wěn)定在1.5μm左右。因此在此實驗條件下，PCD、涂層硬質(zhì)合金刀具的最佳切削速度為Vc=86m/min，CBN刀具的最佳切削速度為Vc=36m/min。

由于PCD刀具韌性較差，且在低速加工時高溫合金的變形系數(shù)較大，較大的變形抗力作用在刀具上，加劇了刀具的崩刃及振動，從而使得加工表面粗糙度很大。此外從圖1a可知Vc=36m/min時PCD刀尖圓弧部分出現(xiàn)了鋸齒形的崩刃，這對已加工表面造成了二次劃傷，增大了表面粗糙度。PCD在Vc=86m/min加工時的表面粗糙度在較小可能是因為隨著切削速度的增加，單位時間內(nèi)的材料切除量減小，材料一定程度上的軟化以及變形系數(shù)減小，從而使得變形抗力降低，切削過程更穩(wěn)定，表面粗糙度降低。CBN加工時的表面粗糙度較大與CBN刀具前刀面，后刀面出現(xiàn)嚴重的溝槽磨損相對應(yīng)。嚴重的溝槽磨損導(dǎo)致大面積的材料脫落，脫落材料中的硬質(zhì)顆粒刮傷加工表面而增大了表面粗糙度。涂層硬質(zhì)合金加工時較小的工件表面粗糙度則與較輕的刀具磨損相對應(yīng)。

3 結(jié)論

通過對車削GH4169時的表面粗糙度，刀具磨損形貌的研究，可得出以下結(jié)論：

(1)PCD刀具在Vc=36m/min時出現(xiàn)了鋸齒形的崩刃，PCD刀具磨損形式主要為微崩刃和犁溝磨損；CBN刀具的磨損形式主要為切削刃的脆性斷裂，前后刀面的溝槽磨損；涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損形式主要為微崩刃，涂層脫落。

(2)三種刀具所產(chǎn)生的切屑都為螺旋屑，PCD的螺旋屑較密集，而CBN、涂層硬質(zhì)合金的切屑較為松散。

(3)涂層硬質(zhì)合金加工時的表面粗糙度最小，似乎更適合加工高溫合金，而PCD與CBN刀具加工時的表面粗糙度較大，切削性能似乎較差。其中PCD、涂層硬質(zhì)合金刀具的最佳切削速度為Vc=86m/min，CBN刀具的最佳切削速度為Vc=36m/min。