CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损

1、CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损 WORD文档使用说明：CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损 来源于PDFWORDPDF转换成WROD 本WOED文件是采用在线转换功能下载而来，因此在排版和显示效果方面可能不能满足您的应用需求。如果需要查看原版WOED文件，请访问这里CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损 文件原版地址: CBN刀片车削粉末高温合金的刀具磨损|PDF转换成WROD_PDF阅读器下载CBN 刀片车削粉末高温合金的刀具磨损任敬心 吴小玲 张研 杨茂奎粉末高温合金与其他的铸造和变形高温合金相同，含有许多高熔点合金元素，例如， FGH95(FG02-01)粉末高温合金就含有铬、钴、钼

2、、铌、镍、铁、钽等。这种粉末高温合金 是先将合金制成粉末，经热等静压成形，再经锻造而制成的。粉末高温合金的 g'相含量约为 50%(体积)，组织均匀，晶粒细小，屈服强度高，抗疲劳性能好，可用于制造涡轮发动机的 涡轮盘等。由于 g'相含量高，且弥散分布于晶粒间，使粉末高温合金得到很大的强化效应， 且在相当高的温度范围内， 随温度升高， 其硬度反而有所提高， 使切削加工性很差。 车削时， 若采用硬质合金刀具，则刀具磨损十分严重，为此，国内外相继研究采用新刀具材料加工粉 末高温合金，与 YD15 和 YG10HT 等硬质合金刀片的切削寿命相比，立方氮化硼(CBN)刀 片的切削寿命可提

3、高很多倍。试验结果表明，CBN 刀片是精车、半精车粉末高温合金的一 种理想的刀具材料。1 试验用 CBN 刀片及刀具几何参数1) CBN 刀片目前所用的 CBN 刀片有 CBN 聚晶体型和 CBN 与硬质合金的复合聚晶型，前者称作聚晶 CBN 刀片，后者称作复合聚晶 CBN 刀片。复合聚晶 CBN 刀片的基底是硬质合金(图 1)， 其目的是使刀片既有超硬层的高硬度， 又有硬质合金相对较高的韧性， 并可节约昂贵的超硬 材料。CBN 刀片的切削性能优越，不仅可用来加工淬硬的材料，而且可加工其他难加工材 料。图 1 复合聚晶 CBN 刀片(GE6000)本课题采用了图 1 所示的美国通用电器公司(G

4、E)生产的复合聚晶 CBN 刀片(以下简称 CBN 刀片)，其牌号为 GE6000，其中含有 96%的 CBN 及 4%的 Co。CBN 基底为硬质合金 (WC+Co)，在高温高压条件下，Co 从扩散源(硬质合金)基体出发，沿 CBN 晶界形成 Co 网 络。提高这种 CBN 刀片质量的关键是减小 CBN 层与硬质合金层之间的应力差。图 2 示出 CBN 聚晶体的扫描电镜图片，可明显看出类同水泥地龟裂的晶界。晶界处富集着 “杂质组元” ，因而在切削力冲击作用下，CBN 刀片会发生颗粒剥落或微崩刃。由此看出， 使用 CBN 刀片切削时，机床刚度应较高，而且切削过程中的切削力应基本稳定。图 2 C

5、BN 聚晶体扫描电镜图片(×3 500)2) 车削 FGH95 粉末高温合金的刀具几何参数刀具几何参数对 CBN 刀片的切削寿命有很大影响。刀具宜取负前角，对于精车刀具，可用 0°-10°；对于半精车刀具可超过-10°； 。刀具后角可在 6°12°范围内选取。为了增 负前角r1 可取-10°-20°， 强刀刃， 可采用负倒棱和刀尖圆弧， 负倒棱宽度 br1 可取 ， 刀尖圆弧半径 r可取 1mm。本项试验所采用的 CBN 刀具的几何参数见图 3。由于机夹刀具的刀夹底面倾斜 6°，故实 际的工作前角0=-6

6、°，实际的工作后角0=6°，实际的负倒棱前角01=-21°。图 3 车削 FGH95 时采用的 CBN 刀具几何参数2 车削粉末高温合金的刀具磨损特征用硬质合金刀具车削粉末高温合金时， 刀具磨损剧烈， 很快失效。刀具的磨损形貌见图 4(工 件材料：FGH95；刀片材料：YT726；切削用量：v=15m/min，ap=，f=)。 图 4(a)示出后刀面磨损，既包含了主后刀面磨损，又包含了副后刀面磨损，因而在刀尖区形 成了三角形磨损带， 后刀面磨损值 VB=， 该磨损值是在刀片的切削路程 l 仅为 的条件下形成的； 4(b)示出硬质合金刀尖塌陷的形貌， 图 这是由于在

7、较大切削力和切削温度 作用下，刀片表面层出现塑性变形而造成的；图 4(c)示出刀具前刀面的磨损凹坑，硬质合金 已崩碎，而且因刀具表面与粉末高温合金粘结的原因，使硬质合金微粒随切屑一同带走，形 成了刀具材料的局部剥落，切削刃已呈现须状崩碎纹。由此可见，用硬质合金刀片车削粉末 高温合金的刀具磨损是相当严重的， 在经历很短的切削路程条件下， 也难以保证必要的加工 精度。(a)后刀面磨损(×400) (b)刀尖塌陷(×650) (c)前刀面破碎磨损凹坑(×300) 图 4 硬质合金刀片车削粉末高温合金的磨损形貌用 CBN 刀片车削粉末高温合金时，刀具磨损量很小，若在扫描电

8、镜下观察刀具后刀面，可 发现刀刃并无缺损，仅沿主刀刃和副刀刃处有一条白带，见图 5(工件材料：FGH95；刀具 材料：GE6000；切削用量：v=70m/min，ap=，f=；切削距离 l=151m)。图 中右边示出 CBN 刀片车削 FGH95 粉末高温合金时形成的带状切屑。这条白带是一层粘附 物，是粘结在刀具表面上的粉末高温合金材料，呈层叠云雾状。主后刀面和副后刀面的粘附 物形态示于图 6(切削条件与图 5 相同)。从整体上看，CBN 车刀车削粉末高温合金的后刀面 粘附与硬质合金车削时不同，CBN 车刀的粘附物较少，只有极薄的一层，而且粘附宽度很窄。图示的粘附物宽度不大于 100?m；硬质

9、合金车刀的粘附量则较大，接触区的粘结层已 产生周期性局部破坏。图 5 CBN 刀片车削粉末高温合金的后刀面扫描电镜图片(×200)(a)主后刀面粘附(×700) (b)副后刀面粘附(×700) 图 6 CBN 刀片车削粉末高温合金的后刀面粘附物形貌3 CBN 刀片车削粉末高温合金的刀具磨损机理用具有负前角和负倒棱的 CBN 刀片车削 FGH95 粉末高温合金时，切屑呈暗红色的“半熔 态” ，沿副刀刃方向流出，切削温度很高。在高温高压作用下，CBN 刀片不仅易与粉末高温 合金材料相互粘结，造成粘结磨损，而且会出现氧化磨损和相变磨损；若受到冲击力，还会 产生 CBN

10、颗粒剥落和微崩刃。1) CBN 刀片的粘结磨损切削过程中，CBN 刀片前、后刀面的摩擦区里，存在微观突出点的接触，这些接触点的接 触压强很高， 从而破坏了刀具表面上形成的氧化膜， 使刀具表面与被加工粉末高温合金之间 容易产生粘结现象。如果在 CBN 和粉末高温合金内同时发生断裂，就产生了磨损粉末，生 成粘结磨损。粘结磨损是压力和温度的函数。出现粘结磨损时，粘结层会产生周期性局部破 坏，导致 CBN 表层材料的疲劳破坏，形成微粒状脱落。另外，在高温条件下，CBN 的惰性 不断降低， 刀片与粉末高温合金材料合金元素间的亲和倾向不断增加， 也创造了粘结的条件。 粉末高温合金中的 Ni，Cr，Mo，C

11、o，Ti 等元素含量较高，在一定的切削温度和压力作用下， 极易与 CBN 发生亲和作用。当刃前区的切削温度达到 1200左右时，局部 CBN 颗粒将呈现“半融熔”状，此时的粘结磨损更加剧烈。图 7，8(v=70m/min，ap=，f=)分别示出 CBN 刀片主后刀面和副后刀面的粘 结形貌，其中，图(a)是刃区全貌，图(b)为刃区局部放大形貌。由图 7 可见，沿 CBN 刀片 的后刀面有明显的粘附物，在靠近负倒棱处，粘附物呈条纹状，且伴有粘屑。由图 8 可以 看出，沿副后刀面的粘附量并不小于沿主后刀面的粘附量，粘附物呈层叠云雾状，充分表明 这种粘附物是不断积累而形成的。(a)刃区粘附全貌(

12、15;220) (b)刃区粘附局部放大(×700) 图 7 CBN 刀片主后刀面的粘附物形貌(a)刃区粘附全貌(×250) (b)刃区粘附局部放大(×770) 图 8 CBN 刀片副后刀面的粘附物形貌2) CBN 刀片的氧化磨损和相变磨损刀片具有优异的切削性能，不仅有较高的硬度和热稳定性，而且对铁族元素有高化学惰性， 但是，在一定条件下，会发生立方氮化硼(CBN)向结构与石墨相似的六方氮化硼(HBN)的转 化，即 CBNHBN 的转化，刀刃处转化为 HBN 的那一部分将降低硬度，失去切削能力。 上述的这种相变发生在一定温度条件下，例如，当切削温度达到 100012

13、00，在空气气 氛下切削时，就可能出现 CBN 向 HBN 的转化。用 CBN 刀片切削时，即使切削温度未达到 CBNHBN 的转化温度，也会产生氧化和放氮 现象，其反应式为 BN(CBN)N+B N+NN2在切屑流的强烈摩擦与热冲击作用下，CBN 表面形成的氧化膜将会很快为摩擦所破坏，造 成氧化磨损。相变磨损和氧化磨损的结果使 CBN 的活性增强，惰性下降，切削能力变差。3) CBN 刀片表面的颗粒剥落和微崩刃由于 CBN 刀尖是由无数细小的 CBN 颗粒构成的，晶界处富集的“杂质组元”相当于一种 “精细裂纹” ，因而大大降低了晶界强度，而且存在不均匀的内应力，使刃口部位的微观强 度也不均匀

14、。当热切屑流通过刀尖流经前刀面时，不仅会产生高温摩擦，而且会产生微冲击 和加工振动，这就有可能使 CBN 颗粒剥落，并出现微崩刃。CBN 刀刃及前、后刀面的这种 磨损形式是高硬度聚晶所特有的。当用扫描电镜观察已被粉末高温合金热切屑流滑擦并产生 CBN 颗粒剥落的 CBN 刀片前刀 面时，可以看到刀刃已有缺损，而且靠近刀刃的前刀面处有剥落层，见图 9(v=70m/min， ap=，f=)。其中，图(a)为刀刃处全貌，图(b)为刀刃与切屑作用区的放大形 貌。(a)刀刃处全貌(×110) (b)刀刃与切屑作用区的放大形貌(×200) 图 9 CBN 刀刃的缺损及 CBN 颗粒的剥

15、落形貌4 车削粉末高温合金时 CBN 与硬质合金刀具磨损的比较与硬质合金相比， CBN 刀片车削粉末高温合金的刀具磨损量要小得多， 因而 CBN 刀片的加 工精度可以得到保证。当采用 YT726 硬质合金， 以切削速度 v=15m/min、 切削深度 ap=、 进给量 f= 的切削用量车削 FGH95 粉末高温合金， 切削路程仅为 时， 后刀面磨损量 VB=，此时车刀的径向磨损量为 ，反映在工件直径上的变化量 dd=。若采用 CBN 刀片车削粉末高温合金， 切削路程 l 与后刀面磨损量 VB 的关系曲线见图 10(工 件材料： FGH95； 刀具： GE6000， CBN 刀片； 切削用量：

16、v=70m/min， ap=， f=)。 切削路程 l= 时，后刀面磨损量几乎测量不出，最大估计值 VB=。此时，由于 后刀面磨损反映在工件直径上的变化量 dd=，即在短时间车削中，工件直径变化 量不到 1?m。图 10 切削路程 l 与后刀面磨损量 VB 的关系曲线5 结论1) 用 CBN 车刀半精车或精车粉末高温合金材料是可行的， 与硬质合金相比， 不仅加工质量 高，而且刀具寿命显著提高。2) 由于粉末高温合金材料中的 Ni， Mo， Nb 等元素在一定的切削温度作用下与 CBN Gr， Ti， 刀片表面有较强的亲合作用，因而发生较明显的粘结。粘结会形成刀具表面的微粒脱落，造 成粘结磨损。3)