4種圓鋸刀高速干切削316L不銹鋼的適應(yīng)性研究

周意漾，李必文，顧劍濤，李杰，周先陽

(1.南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽421001；2.中國核動力研究設(shè)計院，成都610213)

0 引 言

某核工程熱室經(jīng)常需要對核燃料棒或核設(shè)施金屬零部件進(jìn)行干切削切割取樣，以備研究分析[1]。承擔(dān)切割工作的X6132W型臥式銑床主要依靠機(jī)械臂遙控操作，由于機(jī)床本身的原因及受操縱復(fù)雜程度的限制，該銑床主軸轉(zhuǎn)速一般固定在190 r/min。為適應(yīng)高速干切削的需要，所使用的刀具有直徑180～200 mm、厚度2.5 mm的硬質(zhì)合金銑刀片，或直徑150～200 mm、厚度1.5～1.8 mm的金剛石砂輪片。因含鈷量高，硬質(zhì)合金銑刀片報廢后清潔解控工作量較大；因干切削溫度高，金剛石砂輪片時常發(fā)生磨粒從銅基結(jié)合劑脫落的現(xiàn)象[2]。本文以市售150×2.0×72Z規(guī)格的M2普通圓鋸刀、TiN涂層圓鋸刀、氮化圓鋸刀，以及自制的激光表面淬火強(qiáng)化圓鋸刀為研究對象[3-4]，考察其在190 r/min轉(zhuǎn)速下干切削φ25×3.5規(guī)格316L奧氏體不銹鋼管材的切削性能及磨損和失效機(jī)理，以期為熱室選用高品質(zhì)、低成本、長壽命的圓鋸刀提供依據(jù)，并達(dá)成減少熱室遙控操作換刀及后續(xù)清潔解控報廢刀具工作量的目的。

1 原始刀具檢測及激光強(qiáng)化刀的制備

1.1 3種市售圓鋸刀的檢測

150×2.0×72Z規(guī)格的普通圓鋸刀、TiN涂層及氮化圓鋸刀均制有φ52 mm的圓臺用于裝夾，兩側(cè)面從齒頂至圓臺內(nèi)凹量從0增至0.07 mm。用JX6大型工具顯微鏡測量相關(guān)幾何參數(shù)，用TH320全洛氏硬度計測量刀齒部分表面硬度，檢測結(jié)果如表1所示。后續(xù)的激光表面強(qiáng)化工藝在普通圓鋸刀上進(jìn)行。

表1 3種圓鋸刀的檢測結(jié)果

1.2 激光表面熔凝淬火高速鋼圓鋸刀的制備

圖1 激光熔凝淬火刀

采用500 W光纖激光器，分別以80 W、110 W、140 W的激光功率，以及固定的40 mm離焦量、2 mm光斑直徑、8 mm/s掃描速度、50%搭接率等加工參數(shù)，在2片普通圓鋸刀的刀齒兩側(cè)面熔凝淬火加工出3個均布的25 mm×15 mm區(qū)域，每區(qū)域進(jìn)行了16道的之字形掃描，如圖1所示。將其中一片刀進(jìn)行560 ℃回火，并進(jìn)行回火前后的表面硬度比對，如表2所示。

表2 激光表面熔凝淬火圓鋸刀560 ℃回火前后的表面硬度

鑒于經(jīng)560 ℃回火的刀側(cè)表面硬度均有較大幅度下降，激光熔凝淬火并沒有提高薄片圓鋸刀的回火穩(wěn)定性，而激光表面熔凝淬火后不再回火才是受歡迎的工藝方案，故直接選擇不再回火的激光表面熔凝淬火圓鋸刀用于切削實驗。圖2為DVM6徠卡三維視頻顯微鏡下觀察到的3個區(qū)域刀齒的表面形貌，可見刀刃都沒有出現(xiàn)微熔現(xiàn)象，但隨著激光功率的提高，加工區(qū)域的表面粗糙度逐漸劣化。經(jīng)機(jī)械比較儀檢測，在3個區(qū)域的激光掃描路徑上均有0.025～0.030 mm的凸起。

圖2 經(jīng)激光表面熔凝淬火的刀側(cè)表面形貌

2 高速干切削實驗

2.1 實驗條件

切削機(jī)床：XA6132型臥式銑床，未使用橫梁和吊架，刀桿為懸臂式。切削刀具：M2普通圓鋸刀、TiN涂層圓鋸刀、氮化圓鋸刀及激光熔凝淬火圓鋸刀，規(guī)格150×2.0×72Z，帶鍵安裝。工件材料為φ25×3.5規(guī)格的316L奧氏體不銹鋼管材，該材料常用于制造核電系統(tǒng)管道、法蘭和封頭。工件裝夾：虎鉗夾持，每次切削時伸出量30 mm。干切削用量：主軸轉(zhuǎn)速190 r/min，即線速度為89.53 m/min，遠(yuǎn)高于鋸切不銹鋼材料時采用的30 m/min經(jīng)驗值；縱向進(jìn)給量經(jīng)前期實驗取為160 mm/min，以達(dá)到加工效率與刀具耐用度之間的平衡。刀具切削部位不使用鋼絲刷除屑，以求與熱室切削條件一致。

2.2 實驗現(xiàn)象

實驗設(shè)計為：每片刀鋸切出20件厚度為10 mm的樣件，觀測刀側(cè)表面形貌，繼續(xù)切削至磨鈍狀態(tài)后再進(jìn)行觀測。本實驗設(shè)定的刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為：刀具有明顯破損或斷齒、鋸切時有尖嘯、切屑變色發(fā)藍(lán)且伴隨工件明顯發(fā)紅現(xiàn)象。實驗實際情況為：普通圓鋸刀、TiN涂層及氮化圓鋸刀鋸切完20件時均處于正常磨損階段，其最終的使用壽命分別為鋸切了22件、34件、39件，而激光熔凝淬火刀鋸切10件后即告失效。圖3中a1～a3為普通刀、b1～b3為TiN涂層刀、c1～c3為氮化刀分別在原始出廠狀態(tài)、鋸切20件后狀態(tài)、失效狀態(tài)的刀齒側(cè)面表面形貌，表3對這3種刀的失效狀態(tài)進(jìn)行了比對。圖4為激光熔凝淬火刀鋸切10件后的刀齒側(cè)面表面形貌，表4對未經(jīng)激光處理刀齒及經(jīng)不同激光功率處理的刀齒進(jìn)行了比對。

圖3 3種圓鋸刀各狀態(tài)下側(cè)面的表面形貌

圖4 失效激光熔凝淬火刀各區(qū)域側(cè)面的表面形貌

表3 3種圓鋸刀的失效狀態(tài)

表4 失效激光熔凝淬火刀的刀齒狀態(tài)

3 各圓鋸刀高速干切削的適應(yīng)性機(jī)理分析

316L管材的加工硬化現(xiàn)象會顯著增大圓鋸刀的切削力并加速刀具的磨損，其較低的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致的切削高溫會使刀具的黏結(jié)磨損加劇。熱室干切削現(xiàn)在采用的硬質(zhì)合金銑刀片盡管有適應(yīng)高切削速度、在900～1000 ℃保持60 HRC的熱硬性且耐磨性好的優(yōu)點，但在切削溫度高于800 ℃時易發(fā)生擴(kuò)散磨損，導(dǎo)致刀具貧碳、貧鎢，且有低硬度、高脆性的復(fù)合碳化物產(chǎn)生，又由于硬質(zhì)合金中作為黏結(jié)劑的59Co吸收中子后會變成半衰期為5.272 a的放射性60Co，從而大幅度增加報廢刀具的清潔解控工作量，故不宜采用[5]。89.53 m/min的干切削線速度盡管對于圓鋸刀鋸切可稱為高速，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到金剛石砂輪工作所要求的12～30 m/s磨削速度，其后果是：單顆磨粒負(fù)荷的大幅度增加易導(dǎo)致磨粒脫落，磨削區(qū)的高溫易導(dǎo)致磨粒的氧化和石墨化[6-7]。加上成本很高，故亦不宜采用。

3.1 TiN涂層及氮化圓鋸刀的適應(yīng)性機(jī)理分析

由圖3可以觀察到普通圓鋸刀、TiN涂層及氮化圓鋸刀在轉(zhuǎn)速190 r/min、縱向進(jìn)給量160 mm/min干切削鋸切316L管材時，刀尖強(qiáng)度均滿足要求，未出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，刀具磨損的規(guī)律為：前刀面以黏結(jié)磨損為主但均未形成明顯的月牙洼，產(chǎn)生逐漸變大的切削瘤但基本未形成負(fù)前角；后刀面及側(cè)后刀面以機(jī)械磨損為主，隨著切削次數(shù)的增加，刀尖磨鈍、齒高降低、刀側(cè)表面磨損或剝落的情況越發(fā)明顯。

TiN涂層圓鋸刀橫截面在蔡司EVO 18 掃描電鏡下的SEM照片如圖5所示，表明2 μm厚的PVD涂層在初期磨損和較緩慢的正常磨損階段有效地發(fā)揮了高表面硬度、小摩擦因數(shù)的硬隔膜作用[8]，使其耐用度達(dá)到普通圓鋸刀的1.55倍。結(jié)合表3可知，當(dāng)刃口部位涂層磨穿時切削性能迅速下降，特別是部分涂層被掀裂后，相應(yīng)部位側(cè)刃會出現(xiàn)破損現(xiàn)象。由于其頂刃后角為25°，遠(yuǎn)大于普通圓鋸刀的15°，故后刀面并未出現(xiàn)普通圓鋸刀產(chǎn)生的發(fā)藍(lán)現(xiàn)象。

圖5 TiN涂層圓鋸刀的SEM照片

圖6 氮化圓鋸刀的SEM照片

氮化圓鋸刀橫截面的SEM照片如圖6所示，可觀測到：刀具表面最外層是厚度為0.014 mm、具有多孔特征的Fe3O4氧化層，氧化物本身具有較好的減磨特別是高溫減磨作用，多孔結(jié)構(gòu)增加了其散熱能力，使得氮化圓鋸刀的切削瘤最小并能較長時間地保持高溫紅硬性；次外層是厚度為0.05 mm的氮化物層，具有較高的硬度、較好的耐磨性和回火穩(wěn)定性[9]。氮化圓鋸刀的耐用度達(dá)到普通圓鋸刀的1.77倍正是得益于其表層的結(jié)構(gòu)及特性。盡管該刀的刀尖角最小，但由于經(jīng)氧氨氣體軟氮化處理時滲層深度和氮濃度控制適當(dāng)，刀具整體上保持了良好的韌性[10]，因此并未發(fā)生普通氣體氮化處理刀具切削時常出現(xiàn)的崩刃及沿鍵槽底端尖角開裂的現(xiàn)象。與TiN涂層圓鋸刀類似，當(dāng)刃口部位滲層磨穿或掀裂后，刀具切削性能會迅速下降并在掀裂部位出現(xiàn)側(cè)刃破損現(xiàn)象。

3.2 激光熔凝淬火圓鋸刀的適應(yīng)性機(jī)理分析

圖7為圓鋸刀經(jīng)140 W激光熔凝淬火區(qū)域的SEM照片，可看出其激光加熱層顯微組織由外向內(nèi)明顯地分為熔化區(qū)、微熔區(qū)、相變硬化區(qū)和回火軟帶等4個區(qū)域。圖8為HXD-1000B 顯微硬度計測試出的3個激光功率熔凝淬火試樣橫截面的顯微硬度。分析如下：80 W加工參數(shù)下的功率密度不能達(dá)成強(qiáng)化刀具表面的目的；有別于半無限大試樣橫截面顯微硬度的最大值出現(xiàn)在熔化區(qū)、且熔化區(qū)富含未溶碳化物的檢測結(jié)果[11]，實驗薄片圓鋸刀激光熔凝淬火試樣顯微硬度的最大值均出現(xiàn)在相變硬化區(qū)；盡管還可由圖9觀察到熔化區(qū)為等軸晶、微熔區(qū)為樹枝晶，但進(jìn)一步結(jié)合EDS、XRD檢測可判斷，相變硬化區(qū)由外向內(nèi)未熔碳化物數(shù)量的逐漸增加、板條馬氏體的高密度位錯等因素所引起的綜合強(qiáng)化作用更為明顯；由于相變硬化區(qū)較深，在刀側(cè)不均勻磨損及側(cè)刃破損先行發(fā)生的情況下，要充分發(fā)揮相變硬化區(qū)的硬度優(yōu)勢是比較困難的，而如果將刀側(cè)先磨削加工至相變硬化區(qū)則又會降低圓鋸刀的整體強(qiáng)度。

對于刀側(cè)表面硬度得到提高的110 W、140 W激光熔凝淬火區(qū)域刀齒的磨損和破損現(xiàn)象較80 W的嚴(yán)重得多的現(xiàn)象，分析如下：隨著激光功率的增加，熔凝淬火層的表面殘余拉應(yīng)力增大，會加劇其內(nèi)部的應(yīng)力集中，可能造成材料的早期破壞；由于激光處理的圓鋸刀厚度僅為2 mm，激光熔凝淬火使刀側(cè)表面硬度提高，但由圖8可以看出，140 W功率下刀片基本淬透、110 W功率下刀片接近淬透，而淬透會引起韌性下降，耐磨性反而會降低；經(jīng)低功率激光處理的區(qū)域刀齒的變形引起的振擺小、表面形貌劣化最小，減少了刀具的磨損；激光熔凝淬火圓鋸刀高速干切削時產(chǎn)生了相變磨損，即在550～600 ℃干切削時刀具表面的馬氏體組織轉(zhuǎn)化為索氏體組織，因硬度降低而加劇了磨損。

圖7 140 W激光熔凝淬火區(qū)域的SEM照片

圖8 不同激光功率熔凝淬火試樣橫截面的顯微硬度

圖9 熔化區(qū)（上部）、微熔區(qū)（下部）的SEM照片

4 結(jié)論

相比于M2普通圓鋸刀，氮化及TiN涂層圓鋸刀具有更好的高速干切削316L材料的適應(yīng)性，其耐用度分別為普通圓鋸刀的1.77倍、1.55倍，可作為熱室現(xiàn)行使用的硬質(zhì)合金銑刀片、金剛石砂輪片的替代品。合適的激光熔凝淬火參數(shù)可提高薄片圓鋸刀的刀側(cè)表面硬度，但該類刀具由于具有高硬度的相變硬化區(qū)位置較深、刀片基本或接近淬透、應(yīng)力集中、耐磨性降低、表面形貌劣化、相變磨損等問題的存在，要應(yīng)用于316L材料的高速干切削還需進(jìn)一步研究。