不同切削距離下硬質(zhì)合金刀具加工GH4169的切削性能研究*

王 奔，常 康，王碧玲，遲興春，王明海

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136 ; 2.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，沈陽(yáng) 110034 ; 3.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043)

0 引言

高溫合金是指一種以Ni、Fe、Co為基體，能夠長(zhǎng)期在高溫(600 ℃)和一定壓力環(huán)境下工作的金屬材料，由于其具有抗高溫氧化和高溫耐蝕性的特殊性能使其切削加工難度顯著提高，對(duì)刀具的切削性能要求較高，高溫合金屬于典型的難加工材料[1]。目前硬質(zhì)合金刀具是切削高溫合金最為常用的材料，硬質(zhì)合金刀具具有較好的合金硬度、塑性、韌性、耐磨性等綜合性能，從根本上滿足了切削高溫合金刀具所需性能的要求[1]。

目前關(guān)于硬質(zhì)合金刀具加工高溫合金的研究主要集中于不同涂層種類，不同切削參數(shù)對(duì)刀具切削性能，表面加工質(zhì)量的影響。鮮有報(bào)道不同切削距離對(duì)刀具磨損、切削力、表面加工質(zhì)量影響的研究。超細(xì)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[2]。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(zhǎng)刀具的使用壽命[3]。Jin[4]研究了刀片基體的Co含量對(duì)刀具切削性能的影響，結(jié)果表明低Co硬質(zhì)合金基體的高溫硬度比高Co硬質(zhì)合金基體的高溫硬度高，因此低Co含量的硬質(zhì)合金刀片的抗磨損能力更高。Thakur[5]通過(guò)車削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相對(duì)于未涂層刀具，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。而Liu[6]研究了GH4169 高速車削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，結(jié)果表明表面粗糙度隨車削速度的增加而減小，隨進(jìn)給量和切削深度的增加而增大。Yao[7]采用TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)GH4169 進(jìn)行了大進(jìn)給銑削試驗(yàn)，研究了切削速度、每齒進(jìn)給量以及刀具磨損對(duì)切削力的影響規(guī)律。結(jié)果表明每齒進(jìn)給量對(duì)切削力的影響最顯著，刀具磨損對(duì)軸向切削分力的影響非常顯著。Qiao[8]通過(guò)涂層硬質(zhì)合金刀具銑削鎳基高溫合金試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)涂層刀具的主要失效形式為崩刃和前刀面的材料剝落。

本文以涂層硬質(zhì)合金刀具車削GH4169為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了不同車削距離下硬質(zhì)合金刀具磨損的演變過(guò)程及刀具磨損對(duì)切削力、表面粗糙度的影響。

1 車削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的材料為GH4169棒料，涂層硬質(zhì)合金刀片型號(hào)為 CCGT09T304-UM。工件與刀具的材料信息分別如表1[13]、表2所示。

表1 GH4169材料成分

表2 刀片的基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用CAK4085nj數(shù)控車床完成高溫合金材料的外圓車削，加切削液；采用VMX-2000C超大景深光學(xué)三維顯微鏡觀察刀具形貌；采用Kistlter9257b三向測(cè)力儀對(duì)加工過(guò)程中力/力矩進(jìn)行測(cè)量；采用TR240粗糙度儀測(cè)量加工表面粗糙度。切削速度Vc=80m/min，進(jìn)給量f=0.1mm/r，背吃刀量ap=0.25mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損機(jī)理

刀具在不同切削距離下的磨損形貌如圖1～圖6所示。如圖1所示，硬質(zhì)合金刀具切削20m之后，刀具的前刀面與后刀面并無(wú)明顯的磨損，只有小范圍的涂層脫落。硬質(zhì)合金刀具在切削50m后的磨損形貌如圖2所示，刀具前刀面有較大范圍的材料脫落，而在其后刀面可以發(fā)現(xiàn)少量的粘附物，后刀面磨損增加。而切削距離達(dá)到75m時(shí)，如圖3所示，刀具前刀面的材料脫落區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，形成溝槽磨損。后刀面的切削刃出現(xiàn)了微崩刃。這可能是由于硬質(zhì)合金刀具的涂層脫落后，刀具的耐磨性降低，且加工過(guò)程中的微沖擊與切削振動(dòng)可能使刀具材料剝落，產(chǎn)生微裂紋進(jìn)而發(fā)生微崩刃[9]。此外在切削高溫合金時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的加工硬化，且高溫合金材料存在許多高硬度的硬質(zhì)點(diǎn)化合物[9]。這些高硬度的硬質(zhì)顆粒會(huì)持續(xù)作用在刀具的涂層脫落區(qū)域，從而使刀具產(chǎn)生溝槽磨損。

刀具基體材料裸露出來(lái)，與工件材料直接接觸，更容易與工件材料發(fā)生粘結(jié)[8]。如圖4所示，硬質(zhì)合金刀具在切削85m后，刀具前刀面與后刀面的部分破損區(qū)域被切屑材料所覆蓋，發(fā)生粘附磨損。由于鐵基高溫合金很粘，在切削過(guò)程中，刀具前刀面粘結(jié)大量的GH4169材料，隨著切屑、工件材料與刀具之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離的增加，切屑和工件材料中的某些晶粒會(huì)粘附到刀具材料中，這些粘結(jié)物脫落后會(huì)造成刀具前、后刀面粘附磨損。如圖5、圖6所示，隨著切削距離的增加，刀具表面的粘附現(xiàn)象更加明顯，此前刀具前刀面破損的區(qū)域完全被切屑覆蓋，溝槽磨損逐漸轉(zhuǎn)化為粘附磨損，而后刀面主切削刃處磨損似乎變得更小。

圖1 切削20m時(shí)的刀具磨損形貌

圖2 切削50m時(shí)的刀具磨損形貌

圖3 切削75m時(shí)的刀具磨損形貌

圖4 切削85m時(shí)的刀具磨損形貌

圖5 切削105m時(shí)的刀具磨損形貌

圖6 切削125m時(shí)的刀具磨損形貌

2.2 切削力

如圖7所示，F(xiàn)z最大，F(xiàn)x次之，F(xiàn)y最小。Fx、Fy、Fz的總體變化趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著切削距離的增加先增大后減小。在切削距離為85m前的加工階段，隨著切削距離的增加，主切削刃處開始出現(xiàn)了粘附物，并在刀具與工件的相互作用下脫落導(dǎo)致微崩刃，刀具變鈍，這在一定程度上增大了切削面積，因此切削力增大，此時(shí)影響切削力的主要因素是刀具磨損。而在切削85m之后，由于高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)很低，隨著切削距離的持續(xù)增加，較高的切削溫度可能使得切削區(qū)域的工件材料發(fā)生一定程度的軟化，熱變形系數(shù)減小，因此切削力減小。Fy、Fz在切削85m時(shí)達(dá)到分別峰值40N、112N，F(xiàn)x在切削105m時(shí)達(dá)到峰值62N。

圖7 不同切削距離下的切削力變化規(guī)律

Fz表現(xiàn)為切削速度方向的剪切力，F(xiàn)z為主要切削力，大部分材料由Fz切除。且由于高溫合金在加工過(guò)程中塑性變形很嚴(yán)重，原子結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定,需要很大能量才能使原子脫離平衡位置，因此使得剪切力更大。而Fx、Fy則更多表現(xiàn)為切削深度與進(jìn)給方向的擠壓力，切削作用不明顯，因此作用力較小。

2.3 工件表面粗糙度

為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在已加工試件不同的位置選取4個(gè)點(diǎn)測(cè)量表面粗糙度，并求其平均值。圖8是不同車削距離下試件表面粗糙度的變化規(guī)律。

圖8 不同切削距離下的表面粗糙度變化規(guī)律

如圖8所示試件表面粗糙度隨切削距離的增加先減小再增大后減小。從圖8可以看出在切削20m～50m階段表面粗糙度較大，這可能是由于新刀的刀刃較鋒利，因此刃口處的強(qiáng)度較低，加工時(shí)刀刃處發(fā)生顫動(dòng)，導(dǎo)致較大的表面粗糙度。在切削75m時(shí)，表面粗糙度最小，這是由于刀具在使用一段時(shí)間后，刃口處的磨損導(dǎo)致刀具的楔角變大，強(qiáng)度增加，減輕了刀刃的顫動(dòng)，表面質(zhì)量得到提高。切削85m時(shí)的表面粗糙度較大是因?yàn)橹髑邢魅幸寻l(fā)生微崩刃，可能導(dǎo)致切削振動(dòng)，表面粗糙度急劇增大。在切削85m后表面粗糙度大幅度減小，這是因?yàn)殡S著切削距離的增加，刀具與試件的摩擦接觸時(shí)間增大，產(chǎn)生大量的切削熱。而切削區(qū)溫度升高，導(dǎo)致材料在高溫作用下邊層軟化，切削力減小，材料塑性變形減小，材料易被切除，從而使得表面粗糙度降低[10-12]。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同車削距離下硬質(zhì)合金刀具磨損機(jī)理、切削力、已加工表面粗糙度的研究，可得出以下結(jié)論：

(1)硬質(zhì)合金刀具在切削距離為20m～75m時(shí)的刀具磨損機(jī)理主要為前刀面的涂層脫落及溝槽磨損，后刀面的涂層脫落及微崩刃。在切削85m后，前刀面的溝槽磨損轉(zhuǎn)化為粘附磨損；

(2)Fz最大，F(xiàn)x次之，F(xiàn)y最小。Fx、Fy、Fz的總體變化趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著切削距離的增加先增大后減小。Fy、Fz在切削85m時(shí)分別達(dá)到峰值40N、112N，F(xiàn)x在切削105m時(shí)達(dá)到峰值62N；

(3)試件表面粗糙度隨切削距離的增加先減小再增大后減小，在切削75m時(shí)，表面粗糙度最小。