陶瓷圆刀片车削GH4169机理研究及工艺优化
陶瓷圆刀片车削GH4169机理研究及工艺优化
作者：哈尔滨汽轮机厂 詹春辉
随着我国国防工业、航空航天的迅速发展，高温合金、钛合金等难加工材料在这些领域的应用越来越广泛。高温合金是在600~1200℃高温、保持优良力学性能的条件下依然可以长时间工作的材料，并且可以承受复杂的应力。该材料具有良好的机械疲劳和热疲劳性能，也具有良好的塑性和冲击韧性。但是高温合金属于难加工材料，在切削加工过程中若条件选择不当，易出现刀具磨损过快、加工质量较差等问题。由于具有良好的切削稳定性，晶须增韧陶瓷刀片在高温合金的切削中得到越来越广泛的应用。但是作为切削高温合金的一种新型刀具，其切削机理还未得到充分阐述。为此，本文通过切削机理的研究，得出了陶瓷刀具切削高温合金的最佳工艺条件。
高温合金和陶瓷刀具的材料属性
高温合金主要分为铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金，其中以镍基高温合金的应用最为广泛。镍基高温合金材料的主要成分为镍，以GH4169为例，其镍的含量为50%~55%，其余主要元素有Fe、Cr、Nb 等。 http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2011/20117/art_img/20117309515854649.jpg
图1 试验台现场现在切削高温合金的刀具材料多为涂层和非涂层硬质合金，但是存在较多问题，比如刀具磨损严重、一般切削速度低于100mm/min。陶瓷刀具磨损能力较强，热稳定性好，尤其在1200~1400℃，硬度仍然能达到80HRA，其抗磨损的能力相当，抗弯强度较强，而价格相对较低，陶瓷刀具的性价比更高些。高温合金对刀具的磨损主要表现为月牙洼磨损，陶瓷刀具的抗月牙洼磨损的能力较强。
陶瓷刀片车削高温合金试验系统
本研究车削试验现场布置如图1所示。车床型号为CA6140，切削力的测量采用Kistler 9275B三向压电式测力仪，表面粗糙度的测量采用MITUTOYO SV-3000测量仪。
工件材料高温合金牌号为GH4169，刀具为美国绿叶公司型号为RNGN120700S-WG-300的陶瓷圆刀片，如图2所示。 http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2011/20117/art_img/20117309524025870.jpg
图2 陶瓷圆刀片为了降低切削温度、延长刀具寿命、改善润滑条件，本试验采用微量润滑切削（MQL）辅助系统，设备如图3所示。 http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2011/20117/art_img/2011730953710403.jpg
图3 汽雾冷却系统试验方法及试验数据分析
本文通过高温合金车削单因素试验和正交试验，对切削力、表面粗糙度以及刀具的磨损进行了研究。
1 车削GH4169单因素试验研究
首先进行车削GH4169切削参数的单因素试验，对其切削机理进行研究，试验的切削速度为162m/min、170m/min、215m/min、272m/min，切削深度为0.15mm、0.25 m /mm 、0.30m m 、0.35mm，进给量为0.05mm/r 、0.08mm/r 、0.14 mm/r 、0.18mm/r。
（1）切削速度对切削力及表面粗糙度的影响。
图4为切削速度对切削力的影响，当切削速度增加时，切削力首先减小；随着切削速度的进一步增大，切削力达到一定的值后开始增大。由于当切削速度较小时，切削区域充分变形，所以此时切削力较大；当切削速度增加时，切削区域未发生变形的时前切削刃就会通过，所以切削力降低；当切削速度进一步增加时，必然会引起刀具- 工件系统的振动的增加，切削的稳定性降低，所以切削力增加。表面粗糙度随着切削速度的增加而增加，如图5所示，因为当切削速度增加时，振动对表面粗糙度的影响。同时，随着切削速度的增加剪切滑移变成了剪切撕裂，这两个因素使表面粗糙度值急剧增加。 http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2011/20117/art_img/20117309542183583.jpg（2）切削深度对切削力及表面粗糙度的影响。
图6和图7为切削深度对切削力和表面粗糙度影响曲线，此种陶瓷刀具是负前角的，并且切削刃形式为负倒棱，切削加工本身是剪切滑移过程，所以在切削的时候，即将被加工的金属有一部分与负倒棱平面相接触，由于高温合金属于塑性材料，这部分金属产生了分流，一部分金属随着切屑流出，另一部分停留在被加工的工件表面，产生对刀具的抗力作用，而且表面质量不好，表面粗糙度较高。当切削深度较小时，被分流的金属层与切屑的质量比较大，切屑带走的金属较少，所以切削力较大，表面粗糙度较差；当切削深度加大时，切屑带走的金属相对增多，切削力会有下降的趋势，表面质量提高。但是当切削深度达到一定值的时候，切削力就不再减小了，因为金属的去除量过大时，轴向切削力就会明显增加，导致表面质量变差。 http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2011/20117/art_img/20117309562714039.jpg（3）进给量对切削力及表面粗糙度的影响
图8和图9是进给量对切削力和表面粗糙度的影响。进给量的变化对切削力的影响不大，这是由于进给量的增加时，切削厚度、切削宽度、切削面积和金属去除率变化不大。但是进给量增大时，增加了工件相邻的表面切削纹理的距离，使切削加工的表面变粗糙，固表面粗糙度值变大。 http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2011/20117/art_img/20117309573362419.jpg2 车削GH4169正交试验研究
采用正交试验设计来确定车削GH4169的最佳切削参数。试验数据如表1所示。 http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2011/20117/art_img/2011730958910141.jpg根据正交试验得到的试验结果为：对于切削力而言，切削速度与切削深度影响较大，而进给量的影响较小；对表面粗糙度而言，与切削3要素都有比较明显的关系。综合考虑切削力和表面粗糙度，并且几何单因素试验的试验结果，可以得到WG300陶瓷圆刀片精车GH4169 的最优切削参数。即切削速度变化范围为250～290mm/min，切削深度变化范围为0.25～ 0.30mm，进给量变化范围为0.08～0.11mm/r。
3 刀具磨损及破损形式分析
利用KEYENCE 超景深三维显微系统VHX-600，观察WG-300陶瓷圆刀片的形态，研究陶瓷刀片的失效形式。
陶瓷刀具切削高温合金时的径向切削力很大，高温合金易粘刀，导致刀具的后刀面粘刀现象十分明显，由于高温合金的导热性差，切削时产生的切削热不能较好的从刀具中散出，不仅导致后刀面的磨损非常严重，而且使易使刀具后刀面的材料脱落。图10中A和B所示的是未使用过的陶瓷刀片,C为后刀面的磨损形态，E为后刀面刀具材料成块脱落形态。后刀面与工件的摩擦过大，而又不能从后刀面散出大量热量，使切削刃的温度升高。而且负倒棱上不断有金属划过，易产生切削刃从前刀面处崩刃，如图10中D所示；或者摩擦温度升高而使切削刃温度过高，而在前刀面上出现灼烧的痕迹，如图10中F所示。 http://cn.newmaker.com/nmsc/u/2011/20117/art_img/2011730959321533.jpg结束语
（1）通过对WG-300陶瓷圆刀片车削高温合金GH4169的试验研究，得到了切削参数对切削力及表面粗糙度的影响。随切削速度的增加切削力先降低再升高，表面粗糙度呈升高趋势；随着切削深度增加切削力降低，而表面粗糙度降低后增加；进给量增加，对切削力的变化不明显，而表面粗糙度急剧增大。
（2）通过分析正交试验以及单因素试验的结果，得出了WG-300陶瓷圆刀片精车GH4169 最佳的切削参数范围，即切削速度变化范围为250~290mm/min，切削深度变化范围为0.25~0.30mm，进给量变化范围为0.08~0.11mm/r。
（3）WG-300陶瓷圆刀片高速车削GH4169 的磨损及破损形式是后刀面磨损及刀具材料脱落、切削刃崩刃、前刀面烧伤等。
参 考 文 献
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[ 7 ] Kamata Y， Obikawa T. High speed MQL finish turning of Incone l718 with different coated tools. Journal of Materials Processing Technology ，2007(192/193): 281-286.（责编泰山）(end)
全文，没有说为什么用圆刀片？
其中 讲述的涂层合金刀片的对比轻描淡写一概而过了。 圆刀片利用率高啊，如果有阶梯或清根就选菱形或其他型号了
提高利用率的理由貌似不太充分。 人才啊。{:soso_e192:} 这种刀片英文叫Wisker Ceramic刀片，好多国际大厂都有出了，上次试过ISCAR的，线速度要150m/min以上，操作人员吓了一大跳，因为在他的印像中，INCONEL718最多60m/min, 怪他一直用硬质合金刀片。那次尝试不成功，因为是薄壁管，刀片是CNMG, 水溶性切削液。我认为这种陶瓷刀片应用条件比较苛刻，最好是实心工件，只适合粗加工，精加工还不能取代硬质合金。至于为何是圆刀片，因为它是圆的，最均衡而最坚固。 看的不是很懂的 唉不过这技术 真的是很高超呢 由于陶瓷刀具和CBN刀具对系统刚性和稳定性要求比较高，所以不太建议在普车上使用，尤其是使用大圆角的负角刀片。这个实验里的刀具材料脱落、切削刃崩刃很有可能是这个原因。
从小就在一个畸形的家庭长大的舞瞳， 滚滚黄河之水，浩浩荡荡，恣意东流
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