釩合金切削加工試驗分析

□ 胡水良 □ 魏根波

中國工程物理研究院機械制造工藝研究所 四川綿陽 621000

1 試驗背景

在釩合金材料車削過程中,釩合金容易與切削刀具中的合金元素發(fā)生化學反應,產(chǎn)生擴散現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為明顯的切屑粘刀,并且刃口磨損較為嚴重,影響零件的加工質(zhì)量和效率。釩合金材料的塑性高,在切削過程中會產(chǎn)生強烈的切削變形,由此導致切削力和切削熱急劇增大。另一方面,由于釩合金的導熱性差,在切削過程中熱量不易散發(fā),切削區(qū)內(nèi)形成較高溫度,造成刀具劇烈磨損,進而失效。由以上介紹可見,釩合金是一種典型的難加工材料。筆者針對釩合金棒料,利用三種牌號的切削刀具進行切削試驗。試驗結(jié)果表明,KC5010 TiAlN涂層刀具在切削釩合金材料時,具有良好的切削效果。

2 釩合金材料性能分析

釩合金材料屬于典型的難加工材料。試驗中使用的V-5Cr-5Ti釩合金材料化學成分見表1,物理性能見表2。釩合金材料主要成分為釩、鉻、鈦。釩及其同族元素鈮、鉭與鎢、鈦、鋯、鉻為元素周期表中的臨近元素,化學性質(zhì)相似。鎢、鈦、鋯、鉻等是刀具或涂層的主要合金元素,釩與這些合金元素具有一定的親和性,容易產(chǎn)生擴散現(xiàn)象。因此,釩合金材料在切削過程中不可避免地會與刀具中的合金元素產(chǎn)生反應,宏觀表現(xiàn)為明顯的切屑粘刀現(xiàn)象,且刃口磨損較為嚴重,同時影響零件加工質(zhì)量。

表1 V-5Cr-5Ti化學成分

表2 V-5Cr-5Ti物理性能

3 車削試驗

筆者選擇硬質(zhì)合金刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具對V-5Cr-5Ti釩合金棒料進行車削試驗,對刀具使用壽命、刀具磨損量進行對比,明確不同刀具材料車削加工V-5Cr-5Ti釩合金材料的特性,為后續(xù)V-5Cr-5Ti釩合金材料加工選擇刀具提供依據(jù)。

根據(jù)V-5Cr-5Ti釩合金材料的物理性能,選擇三種牌號刀具進行車削試驗,刀具的成分及切削角見表3。

表3 刀具成分及切削角

切削試樣為φ50 mm×100 mm的V-5Cr-5Ti釩合金棒料,切削參數(shù)中,切削深度為0.2 mm,進給量為0.08 mm/r,切削行程為900 mm,切削速度為60 m/min和120 m/min。上述切削參數(shù)下,刀具的使用壽命可通過刀具磨鈍標準進行分析。

4 試驗結(jié)果

較低速度切削加工V-5Cr-5Ti釩合金棒料時,硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具的切削路程都比較長,刀具使用壽命也較長。其中,涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命明顯長于硬質(zhì)合金刀具,約為硬質(zhì)合金刀具使用壽命的1.4倍。當切削速度提高時,三種刀具在切削過程中都會急劇磨損。

在設定的切削參數(shù)下進行V-5Cr-5Ti釩合金棒料車削,K313硬質(zhì)合金刀具前、后刀面的表面磨損嚴重,刀具部分切削刃變形和塌陷,前刀面刃口有不同程度的粘接磨損,刃口圓弧存在部分缺陷。

BU810涂層硬質(zhì)合金刀具車削V-5Cr-5Ti釩合金棒料后,刀具前刀面與后刀面相接處刃口局部區(qū)域存留粘附物,同時刃口有一定磨損,造成局部刃口缺失,刀具前、后刀面也有較為明顯的磨粒磨損。

KC5010涂層硬質(zhì)合金刀具車削V-5Cr-5Ti釩合金棒料后,刃口輪廓較為完整,沒有出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象,前、后刀面的涂層有一定磨損,未發(fā)現(xiàn)涂層剝落和與切屑粘接現(xiàn)象,由于KC5010涂層硬質(zhì)合金刀具TiAlN涂層減小了刀具與釩合金材料的化學親和力,因此保護了刀具,提高了耐用度。

5 刀具磨損分析

釩合金材料的化學活性高,與硬質(zhì)合金刀具材料具有較強的親和性。在切削過程中,切屑在壓力作用下快速從刀具表面滑過,必然有部分切屑粘結(jié)在刀具表面。隨著切屑、工件材料與刀具之間的相對運動,粘結(jié)在刀具表面的切屑會不斷受到?jīng)_擊。當沖擊力大于切屑的粘結(jié)力時,刀具表面的切屑會被流動的切屑帶走,同時某些刀具的表面晶粒也會被帶走,周而復始就會造成刀具粘結(jié)磨損。

當切屑粘結(jié)到刀具表面時,在高溫高壓下,切屑粘結(jié)層與刀具表面緊密接觸,刀具材料中的合金元素會向粘結(jié)層中產(chǎn)生擴散。刀具材料中的元素,特別是鈷元素擴散流失,會極大降低刀具的性能,從而造成刀具擴散磨損。由此可見,刀具的粘結(jié)磨損和擴散磨損同時發(fā)生,并相互促進,共同影響刀具的使用壽命。

6 結(jié)論

筆者選用三種不同牌號的刀具對V-5Cr-5Ti釩合金材料進行車削試驗,得出試驗結(jié)論。

(1)使用硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具切削加工V-5Cr-5Ti釩合金材料時,涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命長于硬質(zhì)合金刀具。當切削速度提高時,涂層硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金刀具的切削性能相差很小。

(2)KC5010涂層硬質(zhì)合金刀具由于具有TiAlN涂層,切削V-5Cr-5Ti釩合金材料時具有較好的切削性能。BU810涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命接近KC5010涂層硬質(zhì)合金刀具,切削性能較好。K313硬質(zhì)合金刀具不適合V-5Cr-5Ti釩合金材料的切削加工。