陶瓷刀具高速车削GH4169高温合金切屑实验

郭延艳,　管云飞

(1.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心, 哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022)



陶瓷刀具高速车削GH4169高温合金切屑实验

郭延艳1,管云飞2

(1.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心, 哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022)

针对陶瓷刀具WG300车削高温合金GH4169,设计了车削加工实验,利用扫描电镜(SEM)图和能谱分析(EDS)图对产生的切屑的形态和元素进行研究,得到了切削速度对切屑的影响规律,观察到刀具和工件在切削过程中发生元素的扩散现象。随着切削速度的增加,切屑出现显著的锯齿状,其成分中C的质量分数增多,Al和O元素没有显著变化,表明刀具中的Al2O3较为稳定。该研究对陶瓷刀具加工过程中的切削速度的选择具有指导和参考意义。

陶瓷刀具; 高温合金GH4169; SEM; EDS

0　引　言

陶瓷具有很高的硬度、耐磨性能以及良好的高温力学性能,与金属的亲和力小,不易与金属产生黏结,并且化学稳定性好。国外使用陶瓷刀具切削高温合金,切削速度已经达到700 m/min,其速度是硬质合金刀具的10倍。采用陶瓷刀具进行高温合金零件的粗加工,可以减少加工周期,从而提高经济效益。

目前,国内外学者对陶瓷刀具在切削高温合金过程中的切削特性[1]、刀具磨损[2-3]、切削温度[4]、沟槽磨损[5]、切削力[6]及表面粗糙度[7]进行了深入的研究。但针对GH4169(Inconel718)的高速车削切屑依然缺乏系统的研究。笔者使用陶瓷刀具WG300对高温合金GH4169进行了高速车削实验,利用扫描电镜(SEM)图和能谱分析(EDS)图对产生的切屑的形态和元素质量分数进行分析,研究了切削速度对切屑变形的影响,观察到了锯齿形切屑的形成以及刀具和工件在切削过程中发生的元素扩散现象。

1　车削实验

1.1实验材料、刀具与设备

工件材料:GH4169高温合金。

镍基高温合金GH4169晶体为面立方结构,一般经过固溶、时效或固溶+时效强化,达到使用要求。强化时析出大量细小的金属化合物Ni3Nb(γ″)和Ni3(γ′),均匀弥散在基体中。而γ″相和γ′相在相当的高温下还有很高的强度,因此抵抗变形的能力也很大。当温度达到1 200 ℃,γ″相和γ′相都会粗化,但γ″相仍是主要的强化相。如果温度继续升高,则γ″相会迅速粗化,并会部分溶解,从而导致强度明显下降。表1和表2分别介绍了GH4169的物理力学性能和其化学成分,它的含镍量为50%～55%,主要是由Fe、Cr、Nb 等元素构成的。

刀具材料为美国绿叶公司生产的WG300增强陶瓷。因其高速切削时具有优秀的耐磨性和抗热震性,已经广泛运用于切削镍基合金,而且其金属切除率是硬质合金刀具的十倍。陶瓷刀具耐高温,对于硬质合金刀具,当温度达到850～1 100 ℃时,其强度随着温度的上升而急剧下降,但是WG300则依然保持着平稳的变化。

表1　GH4169的物理力学性能

表2　GH4169 化学成份

数控车削加工中心的选择对高温合金车削实验有重要的影响。这里使用的型号为MAATURN 65的数控车削中心,其主轴转速0～5 000 r/min,主轴功率21 kW,最大工件直径为500 mm,四轴联动,刀库容量12。

1.2切屑分析设备

扫描电子显微镜,简称扫描电镜(SEM),是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。文中采用的热场发射扫描电子显微镜(CamScan MX2600)。该设备可以对切屑表面进行形貌分析和能谱分析。

1.3实验方案

在研究GH4169高温合金切屑时,该实验选取高于常规值的切削参数。

车削参数:背吃刀量ap=1 mm，每齿进给量fz=0.1 mm/r不变。车削方案:只改变切削速度,对陶瓷刀具WG300在切削速度c分别为150、190、250、310 、370 m/min产生的切屑进行微观分析与能谱分析。

2　切屑形态

2.1切削速度对切屑的影响

在普通切削速度条件下,各种材料的变形特点在很大程度上取决于材料本身的性质,可分为连续切屑和不连续切屑两大类。一般情况下,塑性较好的材料往往产生连续切屑,而塑性较差的材料容易产生不连续切屑。对镍基高温合金,当切削速度达到高速切削后,切屑变形特点发生明显变化,从连续切屑变为不连续切屑。随着切削速度的提高,剪切变形区越来越窄,形成集中剪切滑移,最终产生单元体相互分离的节状切屑[8]。

在高速切削高温合金的过程中,刀尖处的塑性应变较大,产生高温,首先在此区域发生热塑形性失稳。当这种热塑性失稳发展到一定阶段时,刀具开始积压即将形成节状切屑,从而形成有规律的锯齿状切屑。

传统的研究切屑的方式主要是利用光学显微镜观察切屑。随着科学技术的发展,如今透射电子显微镜和扫描电子显微镜在金属切削领域得到广泛的应用。文中对陶瓷刀具WG300切削GH4169的切屑进行微观分析。

WG300晶须增韧陶瓷刀具在c=150 m/min时,切屑形态为带状切屑(图1a)。它的内表面和外表面都相对光滑。随着切削速度的升高,观察发现,切屑的锯齿化程度在逐渐变强、扭曲。从图1中可以看出,切屑表面材料的挤压也随着切削速度的增加而增强,变形后的晶粒成细长的纤维状。在c=370 m/min时,切屑出现很明显的锯齿状。

图1　不同速度下WG300切屑形貌

2.2切屑的元素分析

由图2可见,随着切削速度的增加,切屑中C元素的质量分数在不断增加,五种切削参数C的质量分数分别为3.25%、5.68%、9.42%、9.56%、28.14%。在c=310 m/min和c=370 m/min两组切削参数下,C元素的质量分数发生的很大的变化,说明刀具中的C元素大量流入工件中。同时,作为工件的主要元素Ni也随着c的变化而变化。在c=150 ～ 310 m/min时,切屑中Ni元素的质量分数从49.5%逐渐降到了43.5%,然而当c=370 m/min时,切屑中Ni 的质量分数为50.43%。切屑中的Al和O元素的质量分数没有随着切削速度的上升而发生显著的变化,说明刀具中的Al2O3较为稳定,没有进入工件材料。

图2　不同切削速度的切屑能谱分析

3　结束语

由WG300陶瓷刀具高速车削GH4169实验,得到了切屑随着切削速度的变化规律,观察到切屑的元素扩散现象。切屑的锯齿化程度随着车削速度的升高越来越明显,切屑依旧还是带状切屑,并未明显产生断裂。然而,切屑中主要元素的质量分数,随着车削速度的增加发生明显的变化,尤其是C元素和Ni元素。

[1]马天宇, 王宇. 陶瓷刀具切削高温合金试验研究[J]. 航空精密制造技术, 2012, 48(1): 38-40.

[2]ASLANTAS K, UCUN I, CIECK A. Tool life and wear mechanism of coated uncoated Al2O3/TiCN mixed ceramic tools in turning hardened alloy steel[J].Wear, 2012, 274/275(6): 442-451.[3]LIN L, HE N. High speed cutting of inconel 718 with coated carbideand ceramic inserts[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 129(6): 127-130.

[4]何宁. 难加工材料高效切削理论与应用研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 1996.

[5]肖茂华, 何宁. 陶瓷刀具高速切削镍基合金沟槽磨损试验研究[J].中国机械工程, 2008, 19(10): 1188-1192.

[6]郭延艳, 赵灿, 王旭峰, 等. 高温合金GH3039铣削力实验研究[J]. 黑龙江科技学院学报, 2011, 21(6): 463-465.

[7]詹春辉. 陶瓷圆刀片车削GH4169 机理研究及工艺优化[J]. 航空制造技术, 2011, 67(4): 89-92.

[8]何宁. 高速加工理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

(编辑晁晓筠)

Experimental study on chips of ceramic tool turning superalloy GH4169

GUOYanyan1,GUANYunfei2

(1.Center for Engineering Training & Basic Experimentation, Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150022, China; 2.Morden Manufacture Engineering Center,Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at improving the poor machining of superalloy GH4169 by ceramic cutting tool WG300, this paper introduces the design of turning processing experiment, the study of the morphology and element content of chips using scanning electron microscopy(SEM) and energy spectrum analysis(EDS), the new insight into the influence of cutting speed on the chip, and the observation of the effect of cutting speed on chips and the element diffusion phenomena of tool and workpiece in turning process. The increased cutting speed yields the more and more significant serrated chips, in which case, there occurs an increase in mass fraction of component C, but no significant change in O, an indication that Al2O3in the tool is more stable. The research serves as a reference for selecting cutting speed in machining this kind of superalloy.

ceramic tool; superalloy GH4169; SEM; EDS

2013-06-25

国家自然科学基金项目(51075128);国家科技重大专项项目(2010ZX04016-012)

郭延艳(1982-),女,山东省济宁人,讲师,硕士,研究方向:加工动力学、多轴数控加工工艺参数优化,E-mail:gyyhist@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.008

TG506.7

1671-0118(2013)05-0436-04

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