鎳基合金材料切削加工刀具研究*

吳粵軍 許斌杰 薛建軍 庹 超 黃 鵬

中國工程物理研究院材料研究所 四川綿陽 621907

1 研究背景

鎳基合金材料是高端制造領域的重要材料,實現鎳基合金材料的超精密切削加工對提升零部件性能和延長使用壽命具有重要意義。鎳基合金材料的切削加工性能較差,切削加工過程中容易導致刀具磨損嚴重,使刀具使用壽命縮短,且加工表面質量不高。楊肖委等[1]在外圓車削鎳基合金的研究中發(fā)現硬質合金刀具的磨損主要是刀尖磨損和后刀面磨損,切削深度在切削參數中是對刀具壽命影響最小的因素。

在鎳基合金材料的切削加工中,刀具材料的選擇對生產效率、刀具使用壽命、工件加工表面質量等有重要影響。目前,鎳基合金材料切削加工過程中采用的刀具材料為硬質合金,切削加工后表面粗糙度Ra為1.6～6.3 μm。表面粗糙度是衡量材料切削加工性能的重要指標,對零部件的裝配、使用性能、服役壽命等有重要影響。當前面臨提升鎳基合金材料零部件加工表面質量的迫切需求,所使用的硬質合金刀具已不能滿足工藝要求,因此,筆者對鎳基合金材料切削加工刀具進行研究。

2 硬質合金刀具

硬質合金刀具由高硬度、高熔點的金屬碳化物作為硬質相,由鈷、鎳、鉬等元素作為黏結相,通過粉末冶金法制備,具有較高的硬度、耐磨性和較強的韌性。硬質合金車刀和銑刀在發(fā)達國家市場中占比分別達到90%和55%以上[2]。當前,在鎳基合金材料的切削加工中,使用最多的就是硬質合金刀具。

3 立方氮化硼刀具

立方氮化硼是利用超高溫、超高壓技術獲得的無機超硬材料,維氏硬度(HV)達到8 000～9 000,僅次于人造金剛石。立方氮化硼具有高耐磨性、高熱穩(wěn)定性、高化學惰性、良好導熱性、較低摩擦因子,耐熱溫度可達1 400～1 500 ℃。立方氮化硼刀具可以用于加工淬火鋼、鑄鐵、高溫合金等材料[3]。

白天雄等[4]研究了冷硬鑄鐵軋輥加工過程中不同材料刀具的影響,試驗結果表明,立方氮化硼刀具相比硬質合金刀具更能提升切削加工質量。王奔等[5]研究了立方氮化硼刀具和涂層硬質合金刀具在GH4169高溫鎳基合金切削中的性能,試驗結果表明,涂層硬質合金刀具的加工表面粗糙度值比立方氮化硼刀具的加工表面粗糙度值小,且立方氮化硼刀具磨損比涂層硬質合金刀具嚴重。立方氮化硼刀具磨損形式表現為前、后刀面的溝槽磨損,以及主切削刃的脆性斷裂。涂層硬質合金刀具的磨損形式表現為涂層脫落。大量文獻表明,對于不同材料類型的工件,不同刀具的切削性能明顯不同,因此,有必要對鎳基合金材料的切削刀具進行研究。

4 切削加工試驗分析

為了研究不同材料刀具在鎳基合金材料切削加工中的影響,筆者進行一系列切削加工試驗,分析不同材料刀具、不同切削工藝參數下鎳基合金材料工件的切削加工表面質量。

4.1 試驗條件

機床為數控車床,切削液為水基切削液,表面粗糙度表征設備為白光共聚焦粗糙度測量儀。

4.2 刀具材料的影響

設計鎳基合金材料工件切削加工試驗,選擇硬質合金刀具和立方氮化硼刀具。兩種刀具的幾何結構參數相同,見表1。

表1 刀具幾何結構參數

在數控車床上進行不同材料刀具在不同切削參數下的切削加工試驗,試驗結果見表2。

表2 切削加工試驗結果

對于硬質合金刀具,隨著轉速加快,表面粗糙度值減小;隨著背吃刀量減小,表面粗糙度值減小;隨著進給量減小,表面粗糙度值減小。對于立方氮化硼刀具,隨著背吃刀量減小,表面粗糙度值減小。比較硬質合金刀具和立方氮化硼刀具,立方氮化硼刀具更適合鎳基合金材料的切削加工,加工表面質量及尺寸精度更優(yōu)。

采用立方氮化硼刀具切削加工的24組鎳基合金材料樣品的表面粗糙度如圖1所示。

▲圖1 立方氮化硼刀具加工樣品表面粗糙度

立方氮化硼刀具切削加工后,表面粗糙度Ra為0.2～0.6 μm,遠遠優(yōu)于硬質合金刀具切削加工后的表面質量。立方氮化硼刀具加工后不同樣品的表面粗糙度表現出一定的差異性,原因是分批次購買的商業(yè)立方氮化硼刀具在幾何尺寸、形狀上存在一定區(qū)別,從而導致加工表面粗糙度在一定范圍內波動。

4.3 切削參數的影響

大量研究表明,切削參數是機加工工藝中影響工件加工表面質量的最重要因素。劉波等[6]研究了切削參數對塑性純鐵材料加工表面質量的影響,試驗結果表明,不同切削參數造成的切削溫度變化是影響表面粗糙度的主要因素,進給量及切削深度對加工表面的最大輪廓高度會產生較大影響。牛亞軍[7]利用聚晶立方氮化硼刀具切削淬硬剛,發(fā)現隨著機床主軸轉速的加快,工件表面粗糙度值增大,原因是前刀面與切屑的摩擦時間變長,剪切角變大,引起已加工表面變形增大。何永利等[8-9]利用硬質合金刀具對高精度鋁合金進行了高速切削加工試驗,結果表明高速切削與小進給量有利于改善鋁合金工件的加工表面質量,但是當切削速度超過某個臨界值后,隨著切削速度的進一步加快,表面粗糙度值的減小并不明顯。

筆者在試驗中使用的設備為單點金剛石車床。試驗1固定背吃刀量和進給速度,改變主軸轉速。背吃刀量為0.01 mm,進給速度為6 mm/min,主軸轉速依次為600 r/min、800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min。結果表明,隨著主軸轉速的加快,工件的表面粗糙度值逐漸減小,如圖2所示。

試驗2固定進給速度和主軸轉速,改變背吃刀量。進給速度為6 mm/min,主軸轉速為800 r/min,背吃刀量依次為0.002 mm、0.008 mm、0.016 mm、0.02 mm。結果表明,隨著背吃刀量的增大,工件的表面粗糙度值逐漸增大,如圖3所示。

▲圖2 主軸轉速對表面粗糙度影響▲圖3 背吃刀量對表面粗糙度影響

試驗3固定背吃刀量和主軸轉速,改變進給速度。背吃刀量為0.01 mm,主軸轉速為800 r/min,進給速度依次為4 mm/min、6 mm/min、8 mm/min。結果表明,隨著進給速度的加快,工件的表面粗糙度值逐漸增大,如圖4所示。

▲圖4 進給速度對表面粗糙度影響

對上述三個切削試驗分析表明,單一切削參數對鎳基合金材料零部件加工表面粗糙度的影響表現出明顯的單調性。為了獲取更好的鎳基合金材料切削加工表面質量,需要加快主軸轉速,減慢進給速度,減小背吃刀量。

5 刀具磨損機理研究

大量切削試驗表明,立方氮化硼刀具切削鎳基合金材料過程中的磨損形式主要表現為崩刃、黏結磨損、剝落等,如圖5所示。

▲圖5 立方氮化硼刀具磨損形式

當切削速度較快、進給速度較慢時,主要發(fā)生崩刃磨損。當進給速度較快時,主要發(fā)生刀尖表面剝落。當切削速度較快時,一般都會出現黏結磨損。水基切削液的潤滑性能較差,刀具與工件的摩擦、磨損比較嚴重,Y方向的振動也會導致刀具表面應力增大、溫度升高,從而加速刀具磨損[10]。

硬質合金刀具的磨損形式如圖6所示,主要表現為崩刃,原因是硬質合金刀具強度較差,抗切削振動和沖擊能力較差[11]。

切削試驗中,對于相同尺寸的鎳基合金材料工件,在相同的切削參數下,立方氮化硼刀具的有效切削時間比硬質合金刀具的有效切削時間長。

6 結束語

筆者通過一系列鎳基合金材料切削試驗研究,表明立方氮化硼刀具在鎳基合金材料切削加工過程中相比硬質合金刀具有更好的切削效果。

立方氮化硼刀具的使用壽命比硬質合金刀具的使用壽命長,減少了精加工中更換刀具的次數,明顯節(jié)約了時間和材料成本,顯著提高了生產加工效率。

在相同的切削工藝參數下,數控車床上立方氮化硼刀具切削加工鎳基合金材料工件表面粗糙度Ra為0.2～0.6 μm,遠遠優(yōu)于硬質合金刀具的切削加工表面質量。通過研究確認,立方氮化硼刀具可以用于鎳基合金材料零部件表面的切削加工。

▲圖6 硬質合金刀具磨損形式