切削鎳基高溫合金GH4169的刀具磨損機(jī)理研究

郝兆朋，　崔瑞瑞，　范依航

(長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春　130012)

0　引　言

GH4169因其優(yōu)良的熱強(qiáng)性、抗腐蝕性等性能，廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)與航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的輪盤、葉片等耐熱關(guān)鍵部件。但其切削加工性很差，切削力大，刀具磨損嚴(yán)重。鎳基高溫合金GH4169高效切削技術(shù)是當(dāng)今航空航天制造業(yè)中急需解決的制造技術(shù)，隨著市場對(duì)鎳基高溫合金產(chǎn)品需求量的增大，一直以來，探索鎳基高溫合金的高效切削加工技術(shù)是國內(nèi)外企業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)，有關(guān)報(bào)導(dǎo)主要包括以下幾個(gè)方面：

1)刀具涂層材料[1-6]。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的切削試驗(yàn)研究，從無涂層刀具與涂層刀具切削對(duì)比到不同涂層刀具的優(yōu)選，提出在相同切削條件下切削GH4169，PVD-TiAlN涂層材料具有較好的切削性能，由于其良好的高溫抗磨損性能，有效地抑制了冷焊產(chǎn)生的積屑瘤，且因其高硬度和潤滑作用，減少了刀具的溝槽磨損。

2)高速切削加工[7-10]。一些學(xué)者也進(jìn)行了高速切削加工GH4169的方法研究，優(yōu)選出來的PCBN/CBN刀具具有較好的切削加工性能，但由于價(jià)格昂貴，還未能得到廣泛應(yīng)用。

3)輔助切削加工[11-15]。一些學(xué)者還研究了輔助切削GH4169的加工方法，包括刀具深冷處理且工件等離子加熱的混合切削GH4169的方式；激光加熱輔助切削GH4169的方式和采用超聲振動(dòng)刀具和加熱工件輔助切削GH4169的加工方法，能夠有效地改善加工表面粗糙度和減小切削力。但由于設(shè)備昂貴，裝配因難，也未得到廣泛的應(yīng)用。

以上研究取得了一系列階段性研究成果，然而合理的切削用量選擇仍沒有完備的指導(dǎo)理論。

文中通過切削實(shí)驗(yàn)，揭示刀具磨損機(jī)理，進(jìn)而控制刀具磨損，并提出了在最佳切削溫度進(jìn)行加工的方式，為切削用量的合理選擇供一種高效的方法。

1　切削試驗(yàn)

車床：試驗(yàn)在帶有變頻器的CA6140普通車床進(jìn)行；

工件材料：鎳基高溫合金GH4169棒料，尺寸為100 mm×500 mm；

觀測設(shè)備：CCD計(jì)算機(jī)觀測系統(tǒng)；掃描電子顯微鏡(SEM)；X射線光電子能譜儀；能譜分析儀。

實(shí)驗(yàn)用刀具情況見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)用刀具情況表

2　分析討論

當(dāng)切削速度vc≤30 m/min時(shí)，刀具磨損表面出現(xiàn)嚴(yán)重粘結(jié)情況，并且有鼻形的積屑瘤產(chǎn)生。粘結(jié)一般是指刀具表面與被切削工件發(fā)生原子間距接觸時(shí)產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象，在低速切削過程中的粘結(jié)是在足夠大的壓力和溫度情況下刀-屑接觸界面產(chǎn)生的冷焊現(xiàn)象。刀-屑接觸界面的粘結(jié)點(diǎn)隨著切削過程相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刀具材料微觀組織受剪或受拉而被切屑帶走造成粘結(jié)磨損。鎳基高溫合金GH4169切削過程中，由于切削溫度高，切削力大且波動(dòng)大，刀-屑接觸區(qū)域壓力很高，在這種高壓、高溫情況下，隨切削進(jìn)行產(chǎn)生了不穩(wěn)定粘結(jié)物和積屑瘤，造成了粘結(jié)磨損。

積屑瘤如圖1所示。

圖1　積屑瘤

在粘結(jié)磨損的同時(shí)，隨著切削的進(jìn)行，積屑瘤或不穩(wěn)定粘結(jié)物的脫落，極易造成刀具破損，即崩刃現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2　崩刃

由圖2可見，在落刀試驗(yàn)中，被積屑瘤粘結(jié)下的刀具材料。

當(dāng)切削速度(vc>30 m/min)增加，磨損表面粘結(jié)現(xiàn)象減小，出現(xiàn)磨損碎片，且磨損碎片的密度隨切削速度的增加而增大，分別如圖3和圖4所示。

切削加工過程中，刀具磨損的主要原因如粘結(jié)、擴(kuò)散、氧化以及接觸層的塑性變形等，都與切削溫度(切削速度)有著直接關(guān)系。

圖3　vc=35 m/min時(shí)刀具磨損表面形貌

圖4　vc=45 m/min時(shí)刀具磨損表面形貌

在切削GH4169的過程中，由于高的切削溫度，刀具-工件材料與刀具-切屑之間發(fā)生擴(kuò)散和氧化現(xiàn)象，進(jìn)而使刀具發(fā)生氧化與擴(kuò)散磨損。當(dāng)給定切削用量為vc=40 m/min、ap=1 mm、f=0.1 mm/r時(shí)，對(duì)刀具磨損表面進(jìn)行了能譜分析，如圖5所示。

圖5　刀具不同位置的磨損表面EDS分析

由圖5可見，點(diǎn)①所在表面為刀具表面的亞表層，通過打磨并用含量8%稀鹽酸清洗處理所獲得。

對(duì)點(diǎn)①和點(diǎn)②所在表面進(jìn)行能譜分析，如圖6所示。

(a) 點(diǎn)①能譜圖

(b) 點(diǎn)②能譜圖

根據(jù)刀具磨損機(jī)理的研究，以及相關(guān)摩擦磨損學(xué)的理論基礎(chǔ)，在刀具磨損的過程中，存在氧化磨損與粘結(jié)磨損的平衡關(guān)系，在最佳切削溫度時(shí)，刀具磨損表面可以存在以下化學(xué)反應(yīng)：

2Fe+O2=2FeO

3Fe+2O2=Fe3O4

4Fe+3O2=2Fe2O3

2Ni+O2=2NiO

4Cr+3O2=2Cr2O3

Fe2O3、FeO、Cr2O3、Fe3O4等這些較軟金屬氧化物在切削過程中具有一定的邊界潤滑作用，能有效抑制刀具-切屑之間接觸時(shí)的粘結(jié)，減小摩擦系數(shù)，對(duì)刀具能夠起到保護(hù)作用。隨著切削速度的提高，切削溫度也會(huì)隨之升高，破壞了刀-屑界面粘結(jié)磨損與氧化磨損之間的動(dòng)態(tài)平衡，刀具材料也將發(fā)生嚴(yán)重的氧化磨損，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如下：

4Co+3O2=2Co2O3

3Co+2O2=Co3O4

2Co+O2=2CoO

WC+Co+3O2=CoWO4+CO2↑

WC+1/2O2=W+CO↑

WC+O2=W+CO2↑

WC+O2=WO2+C

WC+3/2O2=WO2+CO↑

WC+3/2O2=WO3+C

WC+2O2=WO3+CO↑

WC+2O2=WO2+CO2↑

WC+5/2O2=WO3+CO2↑

作為硬質(zhì)合金刀具材料中的主要元素W、Co發(fā)生了氧化反應(yīng)，生成物為WO3、CoWO3、Co2O3、Co3O4、WO2等，W和Co的氧化物削弱了Co的粘結(jié)作用，并降低了刀具材料的強(qiáng)度，從而加劇了刀具磨損。

綜上所述，磨損量與切削速度的關(guān)系如圖7所示。

圖7　磨損量與切削速度的關(guān)系示意圖

不難看出，存在最佳切削溫度，可使刀具磨損最小。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了證明上述最佳切削溫度的正確性，開展了不同切削用量的切削實(shí)驗(yàn)。給定相同切削長度，測量不同速度下的刀具后刀面的磨損值，與最佳切削速度對(duì)應(yīng)的磨損值作比較。進(jìn)行速度單因素實(shí)驗(yàn)，每組進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，在切削路程為240 m時(shí)得到刀具后刀面不同的磨損值VB，并繪制磨損值VB、切削速度vc與切削溫度θ關(guān)系磨損曲線，如圖8所示。

圖8不同切削參數(shù)下后刀面磨損曲線

根據(jù)圖8可知，不同進(jìn)給量下，都在最佳切削溫度(約650 ℃)處出現(xiàn)了磨損量的最小值，表明理論分析過程與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相符合。

4　結(jié)　語

通過涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)鎳基高溫合金GH4169的切削試驗(yàn)，深入研究刀具磨損機(jī)理，得到如下結(jié)論：

1)在低速(vc<30 m/min)時(shí)，刀具與切屑界面間易發(fā)生冷焊粘結(jié)，且有積屑瘤產(chǎn)生，積屑瘤的不斷產(chǎn)生和脫落易發(fā)生刀具崩刃現(xiàn)象，當(dāng)切削速度提高(vc>30 m/min)時(shí)，在刀具磨損表面發(fā)生磨損碎片剝落，導(dǎo)致刀具磨料磨損。

2)在高速切削過程中，刀具材料發(fā)生明顯的氧化反應(yīng)，生成物降低了Co的粘結(jié)作用，刀具切削性能降低，磨損碎片增多，加速了刀具磨損。

3)基于不同切削過程中刀具磨損機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)存在最佳切削溫度使切削過程處于最佳狀態(tài)，可有效降低刀具磨損，為加工GH4169切削用量的合理選擇提供一種有效的手段。

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