PCBN刀具切削氣門座圈磨損性能研究

韓江(1963-),男,河南洛陽人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

PCBN刀具切削氣門座圈磨損性能研究

丁志,韓江,楊海東

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥230009)

摘要:文章采用 PCBN刀具對氣門座圈進(jìn)行了高速干切削試驗,使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刀具的磨損形貌,通過能譜分析(EDS)分析了刀具磨損微區(qū)表面成分,并對刀具的主要磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,使用PCBN刀具高速切削粉末冶金材料時,刀具在未達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)前就會產(chǎn)生脆性破損。PCBN刀具磨損機(jī)理主要為黏結(jié)劑磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損的綜合作用。

關(guān)鍵詞:PCBN刀具;氣門座圈;高速車削;磨損機(jī)理

收稿日期：2014-01-20；修回日期：2014-08-20

基金項目：合肥工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究發(fā)展基金資助項目(2012HGX067)

作者簡介：丁志(1978-),男,安徽鳳陽人,合肥工業(yè)大學(xué)講師;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.005

中圖分類號:TG506.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

ResearchonwearperformanceofPCBNtoolsinturningofvalveseatinsert

DINGZhi，HANJiang，YANGHai-dong

(SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:High-speed dry turning experiments on valve seat insert with PCBN cutters were conducted. The main tool wear mechanism was discussed by observing the tool wear morphology through scanning electron microscopy(SEM) and detecting the element distribution of the worn tool surface through energy dispersive spectroscopy(EDS). The experimental results indicated that fragile breakage occurred before it reached the blunt standard on tool flank face in high-speed turning of valve seat insert with PCBN cutters, and the main tool wear mechanism is the synergistic interaction among binder wear, oxidation wear and diffusion wear.

Keywords:PCBNtool;valveseatinsert;high-speedturning;wearmechanism

氣門座圈是用于發(fā)動機(jī)中和氣門相配合,使燃燒室保持氣密性的一個零件。由于發(fā)動機(jī)氣門座圈處于高應(yīng)力、高溫度和高腐蝕的工作環(huán)境中[1],為保證其工作可靠性和使用壽命,必須選用耐磨性好,對氣門侵蝕性小的材料。

目前,由粉末冶金方法壓制的氣門座圈具有優(yōu)良的耐磨性、耐熱性、耐脫落性[2],在國內(nèi)汽車零配件領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,但是,粉末冶金材料的座圈機(jī)械加工難度較大,如用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工，刀具表現(xiàn)出使用壽命短、表面質(zhì)量差等問題。

經(jīng)過大量的生產(chǎn)試驗,選用超硬刀具材料PCBN進(jìn)行氣門座圈的高速車削加工可以很好地解決該問題,大大提高了機(jī)械加工效率。雖然PCBN刀具材料適用于高速硬切削,且具有較高的刀具使用壽命,但若使用不當(dāng),往往會發(fā)生非正常磨損甚至破損[3-5],降低刀具的使用壽命。

本文采用PCBN刀具對粉末冶金氣門座圈進(jìn)行了高速干車削試驗,對生產(chǎn)實踐中刀具的磨損形貌進(jìn)行觀察分析,并針對氣門座圈材料的特殊切削性能,系統(tǒng)地研究了高速車削氣門座圈時PCBN刀具的磨損機(jī)理,以期為PCBN刀具在高速、高效切削粉末冶金材料中的推廣應(yīng)用提供試驗依據(jù)。

1切削加工試驗

1.1　刀具材料及機(jī)械性能

氣門座圈硬度雖沒有淬硬鋼高,但其基體內(nèi)含很多硬質(zhì)相,耐磨性較好,故選用住友電工生產(chǎn)的具有良好耐磨性的BN10作為切削刀具材料,其顯微結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　 BN100刀具材料的顯微結(jié)構(gòu)

試驗用BN100刀具的化學(xué)成分和性能如下:BN顆粒粒徑為3μm;w(CBN)為85%(CBN含量越高,硬度越高,耐磨性越好,但耐沖擊性降低);結(jié)合劑為TiN;斷裂韌性為0.8MPa·m1/2;導(dǎo)熱系數(shù)為217W/(m·K)；硬度為HV3 700～4 000,適合加工粉末冶金材料。

1.2　工件材料

氣門座圈選用某公司特有的專利產(chǎn)品CMP合金粉末硬質(zhì)粒子型P/M材料。 硬質(zhì)粒子擴(kuò)散強(qiáng)化型P/M材料具有CMP合金粉彌散型的組織構(gòu)成,其顯微結(jié)構(gòu)組織如圖2所示。

圖2　 CMP合金粉彌散型組織結(jié)構(gòu)

硬質(zhì)粒子含有的化學(xué)主要成分是Cr-Mo-Co-Ni系金屬化合物[6], 這種硬質(zhì)合金粒子均布在金屬粉末中,經(jīng)成形、燒結(jié)后,其中Cr、Ni和Co向基體擴(kuò)散,提高了基體的耐熱性以及硬質(zhì)粒子與基體的結(jié)合強(qiáng)度,顯著提升座圈受沖擊的能力和抗磨性；最終硬度達(dá)HRC42～50,密度為7.8g/cm3,壓潰強(qiáng)度900MPa以上,其化學(xué)成分見表1所列。

表1　氣門座圈化學(xué)成分　%

1.3　實驗條件

試驗在RTZC-10上進(jìn)行,切削座圈內(nèi)圓表面,工件內(nèi)孔直徑為φ45mm,切削速度vc=226m/min;切深ap=0.1 mm;進(jìn)給量f=0.1mm/r;干式切削。刀具工作角度為:γo=0°,αo=10°,κr=75°,κr′=45°，λs=0°;刀尖圓弧半徑rε=0.8mm;負(fù)倒棱參數(shù)為 br1γbr1=0.2mm×(-20°)。在切削過程中的不同階段以及刀具破損后,采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刀具磨損表面形貌,用電鏡附帶的能譜分析儀(EDS)分析磨損表面的化學(xué)成分。

2實驗結(jié)果與分析

2.1　刀具磨損形式

PCBN作為超硬刀具材料,在高速硬態(tài)切削中應(yīng)用廣泛,其磨損形式主要表現(xiàn)在前刀面磨損、后刀面磨損、溝槽磨損和剝落等[6-7]。而用PCBN刀具高速干式切削粉末冶金材料的磨損形式的研究并不多見,其具有3種磨損形式。

(1) 前刀面磨損。在切削加工的前期,刀具邊緣(倒棱位置)首先出現(xiàn)微崩刃,前刀面也出現(xiàn)輕微的磨損,如圖3a所示;隨著切削加工的進(jìn)行，前刀面的磨損加速,并逐漸穩(wěn)定下來形成了月牙洼,如圖3b所示;但是有一部分微崩刃處,在受到振動和外力的沖擊下產(chǎn)生較大面積的剝落，形成缺口甚至崩刃,如圖3c所示。

由于刀片磨有負(fù)倒棱0.2mm×(-20°),且切削深度只有0.1mm,所以前期出現(xiàn)的月牙洼磨損主要集中在負(fù)倒棱上。剛開始磨損時,磨損面積比較小,磨損帶靠近刀具邊緣部分,呈現(xiàn)中間大、兩頭小的形狀;隨著切削加工的繼續(xù),負(fù)倒棱上形成的月牙洼會逐漸變大、變深,起到斷屑的作用,并在月牙洼底部產(chǎn)生應(yīng)力集中,加之切削座圈本身產(chǎn)生的就是不連續(xù)切屑,刀尖在不連續(xù)沖擊的情況下,很容易使倒棱附近的材料產(chǎn)生疲勞破壞;另外,月牙洼變大、變深,使得刀具實際的工作前角增大,刀尖變得更加鋒利,刀尖的強(qiáng)度大大降低,很容易產(chǎn)生大的崩刃,使刀具失效,如圖3d所示。

圖3　 PCBN刀具前刀面磨損形貌

(2) 后刀面磨損。高速切削氣門座圈時,后刀面與工件表面之間存在著強(qiáng)烈的摩擦,由于切削深度較小,摩擦磨損主要出現(xiàn)在刀尖圓弧半徑附近,在顯微鏡下可觀察到明顯的磨損亮帶,不同磨損狀態(tài)下后刀面磨損的形貌如圖4所示。從圖4中可以觀察到在高速切削粉末冶金材料時,后刀面均存在均勻的磨損帶,并可觀察到后刀面沿著切削速度方向被磨出了許多細(xì)長的溝槽。圖4a所示為正常磨損狀態(tài);圖4b所示為前刀面崩刃后后刀面的磨損形貌;圖4c所示為刀具倒棱邊緣發(fā)生微崩刃時刀具后刀面的磨損形貌。

由圖4可知,前刀面磨損的形式和快慢對后刀面有直接的影響,在切削過程中這2種磨損形式往往同時發(fā)生。

圖4　 PCBN刀具后刀面磨損形貌

(3) 刀具破損。由于刀具在制作過程中材質(zhì)存在差異,切削過程中的振動或工件材料硬質(zhì)點對刀尖的沖擊作用均可造成刀具破損。

雖然PCBN刀具硬度很高,適合加工硬度在45HRC以上的工件;但是,由于其脆性較大、韌性較差,在高速切削過程中刀具常會發(fā)生典型脆性破損,從而直接使刀具失效。幾種常見的刀具破損后的表面形態(tài)如圖5所示。

圖5　 PCBN刀具的破損形態(tài)

隨著刀具前、后刀面不斷磨損,刀尖負(fù)倒棱處的強(qiáng)度不斷下降,切削載荷或熱應(yīng)力超過了刀具切削刃的強(qiáng)度時,刀具會發(fā)生崩刃,如圖5b、圖5d、 圖5e所示,甚至刀頭出現(xiàn)碎斷,如圖5f所示,造成刀具破損。在實際生產(chǎn)中,一個刀刃可加工4 000～8 000個零件不等,跨度較大,刀具壽命不穩(wěn)定的原因在于未達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)前刀具就出現(xiàn)了破損。

2.2　刀具磨損原因

刀具破損的形式和快慢基于前期刀具的磨損情況而定。目前研究認(rèn)為PCBN刀具在切削難加工材料時,主要有:機(jī)械磨損、黏結(jié)劑磨損、氧化磨損、相變磨損、化學(xué)磨損、擴(kuò)散磨損、黏結(jié)磨損、微裂解磨損等[6-8], 這與陶瓷刀具的磨損機(jī)理很相似[9-10]。而在PCBN高速干切削粉末冶金氣門座圈時,刀具的磨損機(jī)理主要有3方面。

(1) 黏結(jié)劑磨損。在高速切削過程中,前刀面與切屑底部、后刀面與工件已加工表面之間產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦,刀具材料中的黏結(jié)相被粉末冶金材料中的硬質(zhì)相摩擦掉,使刀具表面變得粗糙,致使許多CBN顆粒凸出,很容易從刀片中脫落,從而發(fā)生了黏結(jié)劑磨損。如圖3a、圖4a和圖4c所示,在前、后刀面的磨損帶上均可看見一條條溝槽狀的凹痕。刀尖圓弧半徑處的能譜分析如圖6所示。

圖6　刀尖圓弧半徑處的能譜分析

表2所列為圖6a中前刀面譜圖2位置在早期磨損階段的化學(xué)元素分布情況,可知Ti的含量大幅度減少,說明發(fā)生了黏結(jié)劑磨損。刀具表面上的材料在黏結(jié)劑磨損的作用下,將會逐層脫落并被帶走,從而在刀-屑接觸部位產(chǎn)生多層缺口,形成臺階狀,如圖6b所示。黏結(jié)劑磨損不論在切削的早期還是后期都是刀具磨損的主要原因。

表2　前刀面刀尖處的主要元素含量　%

注：各元素測定其原子的K層電子。

(2) 氧化磨損。PCBN刀具磨損后前、后刀面成分的能譜圖如圖7所示。圖7a中缺少B和圖7b中缺少N、Ti等元素是由于電子探針未能測出造成的。從圖7可以看出,刀具表面增加了Fe、C、O、Cr、Mo、W、Cu等元素;Co的含量顯著增加;其中Fe、C、Cr、Mo、W、Cu和Co元素來自工件,O元素來自空氣,Ti和Al來自復(fù)合片中的黏結(jié)相。

具體能譜檢測結(jié)果見表3、表4所列。

表3　前刀面上各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

表4　后刀面上各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

對上述結(jié)果進(jìn)行分析可知,Fe、Al、O元素均增多,說明有氧化磨損,前刀面上生成了FeO、Al2O3等金屬氧化物,后刀面還生成了SiO2,在一定溫度和壓力條件下,CBN也可與空氣中O發(fā)生反應(yīng),生成B2O3,氧化的結(jié)果造成CBN晶體晶面凹陷、晶格縮小,使刀具發(fā)生“鈍化”現(xiàn)象,影響刀具使用壽命[7];后刀面上O、Fe、Si元素的含量比前刀面上多,因為PCBN高速切削氣門座圈過程中,形成單元切屑,刀具后刀面與已加工表面存在連續(xù)、較大的機(jī)械摩擦作用,溫度最高,所以后刀面的氧化磨損現(xiàn)象比前刀面更明顯。

(3) 擴(kuò)散磨損。根據(jù)圖7所示的能譜檢測結(jié)果可知,工件材料中的W和Co以及刀具黏接劑中的元素Al和Co等發(fā)生了相互擴(kuò)散。在一定條件下,W、Co會滲透到CBN層中,導(dǎo)致PCBN中的W、Co含量大大高于添加量;且有W滲透的臨界溫度低、Co滲透的臨界溫度高的特點,后刀面溫度高,所以Co含量比前刀面多。對于PCBN復(fù)合片而言,Co含量的增加,反而會降低復(fù)合片強(qiáng)度,使耐磨性減弱,加快刀具磨損。

3結(jié)論

(1)PCBN高速切削氣門座圈時,磨損的主要形式是前刀面磨損、后刀面磨損和破損。破損是切削過程中刀具失效的主要形式。

(2)PCBN高速切削氣門座圈時,刀具磨損的主要機(jī)理是黏結(jié)劑磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損3種。黏結(jié)劑磨損在整個切削過程中一直都存在,是刀具磨損的主要原因；氧化磨損、擴(kuò)散磨損只是在切削的中后期,刀具變鈍、切削溫度升高后才表現(xiàn)得比較明顯。由于后刀面上溫度偏高,氧化磨損、擴(kuò)散磨損現(xiàn)象更為突出。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)