1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢切削加工性能试验分析*

□ 王景坡 □ 杨 东,2 □ 刘世华 □ 陈云鹏

1.国营芜湖机械厂航空设备测控与逆向工程安徽省重点实验室 安徽芜湖 241007 2.安徽大学 机械工程系 合肥 230601

1 试验背景

1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢具有强度高、刚性好、耐腐蚀、耐磨等优点,被广泛应用于航空、航天、国防工业等领域。然而,优越的力学性能和机械性能给这一不锈钢的切削加工带来诸多难题,如在加工过程中容易出现切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、加工表面质量差等问题[1-4]。

开展1Cr11Ni23Ti3MoB奥氏体热强不锈钢切削加工研究,探明切削工艺参数对刀具磨损、加工表面粗糙度等的影响规律,对实现材料的高效、高质量切削具有重要理论和实践意义。

笔者对1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢进行车削试验分析,基于二次正交旋转组合设计试验数据,构建刀具磨损和加工表面粗糙度回归模型,分析切削速度、进给量、切削深度等工艺参数对刀具磨损和加工表面粗糙度的影响规律,为1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢切削工艺参数优选和生产过程控制提供技术支持。

2 材料

1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢属于以金属间化合物为主要强化相的奥氏体热强不锈钢,碳含量低,热强性能主要通过形成金属间相化合物Ni3(AlTi)而获得[5]。1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢主要化学成分见表1。

表1 1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢主要化学成分

3 车削刀具

用于不锈钢材料切削的刀具主要有硬质合金刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等[6-8]。已有研究表明,涂层刀具耐用度较未涂层刀具提高2～10倍,刀具使用寿命延长2～3倍,加工效率可以显著提高[9]。随着切削时间的增加,涂层刀具也不可避免地会发生各种形式的磨损,从而导致刀具切削功能失效。涂层刀具切削1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢时,磨损机理及规律尚不明确,对此,车削试验选用刀具为DNMG150608涂层刀具,如图1所示。DNMG150608涂层刀具主要参数见表2,涂层为化学气相沉积TiCN+Al2O3+TiN。

▲图1 DNMG150608涂层刀具

表2 DNMG150608涂层刀具参数

4 试验规划

在卧式数控车削中心上进行外圆车削试验,如图2所示。外圆车削试验时,采用二次回归均匀精度旋转中心组合进行设计。二次正交旋转组合设计具有试验次数少、计算方便、回归因数间无相关性的优点,旋转性可以克服预测值方差对试验点在因子空间位置的依赖性[10]。

试验分为涂层刀具磨损试验和加工表面粗糙度试验,试验规划分别见表3、表4。

表3 涂层刀具磨损试验规划

表4 表面粗糙度试验规划

5 评价标准

外圆车削试验完成后,采用扫描电子显微镜和能谱分析仪对磨损刀片进行表面微区磨损形貌观察与组成成分分析,采用表面粗糙度仪检测加工表面粗糙度,通过分析涂层刀具磨损机理及加工表面质量来评价涂层刀具加工不锈钢时的切削性能。

▲图2 外圆车削试验

6 试验结果

6.1 涂层刀具磨损

在切削加工过程中,涂层刀具的前刀面、后刀面不断与切屑、工件接触,在接触区内发生强烈摩擦,同时温度和压力也较高,因此涂层刀具的前刀面和后刀面随着切削的进行都会逐渐产生磨损。刀具切削初期磨损扫描电子显微镜形貌如图3所示。涂层刀具磨损在切削初期主要以前刀面的月牙洼磨损及后刀面的均匀磨损为主。随着切削的进行,前、后刀面磨损加剧,主要表现为前刀面处的月牙洼深度加大,后刀面均匀磨损的宽度增大。刀具切削后期磨损扫描电子显微镜形貌如图4所示。最后磨损区的前刀面和后刀面相连,形成新的不规则切削刃,切屑的形态随之发生变化,表面粗糙度值增大,涂层刀具进入剧烈磨损期,涂层刀具的前、后刀面发生涂层剥落现象。

▲图3 刀具切削初期磨损形貌

▲图4 刀具切削后期磨损形貌

刀具切削初期磨损X射线能谱分析如图5所示，刀具切削后期磨损X射线能谱分析如图6所示。

▲图5 刀具切削初期磨损X射线能谱分析

涂层刀具的最外层为TiN和TiCN,之后为Al2O3,镀层是TiCN。图5、图6中含有碳、氧元素,说明刀具涂层有氧化现象;含有铝元素,说明对应处为涂层剥落后裸露的陶瓷涂层;含有钛元素,说明最底层的镀层材料也已经裸露在外;此外还含有铁元素,为扩散或粘结的耐热钢材料。由以上分析可见,涂层刀具切削1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢时的磨损机制主要包括机械磨损、粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损、涂层剥落等。试验参数范围内测得的涂层刀具磨损量VB见表5。

▲图6 刀具切削后期磨损X射线能谱分析

表5 涂层刀具磨损量

基于涂层刀具磨损量数据,采用线性回归分析方法,构建涂层刀具磨损量回归数学模型,为:

(1)

由式(1)可以看出,车削1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢时,涂层刀具磨损量与切削深度和切削时间为正相关,与进给量和切削速度为负相关。对涂层刀具磨损量影响最大的工艺参数是切削深度,然后依次为进给量、切削时间、切削速度。

6.2 加工表面粗糙度

进行外圆车削试验,试验参数范围内测得的加工表面粗糙度Ra见表6。

表6 加工表面粗糙度

基于二次回归均匀精度旋转中心组合试验结果,绘制加工表面粗糙度与切削深度、进给量、切削速度之间的效应曲线,如图7～图9所示。

▲图7 表面粗糙度与切削深度效应曲线

▲图8 表面粗糙度与进给量效应曲线

▲图9 表面粗糙度与切削速度效应曲线

由加工表面粗糙度与切削深度、进给量、切削速度之间的效应曲线可以看出,车削1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢时,加工表面粗糙度与切削工艺参数之间呈单调关系,表面粗糙度值随切削速度的提高、切削深度的增大而减小,随进给量的增大而增大。因此,在试验参数范围内,车削1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢时,优选较高的切削速度、较大的切削深度,以及较小的进给量。

基于加工表面粗糙度检测数据,采用线性回归分析方法,构建加工表面粗糙度回归数学模型,为:

(2)

由式(2)可知,对加工表面粗糙度影响最大的工艺参数是切削速度,然后为进给量、切削深度。

7 结束语

笔者开展1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢车削试验,分析切削速度、进给量、切深深度等工艺参数对涂层刀具磨损和加工表面粗糙度的影响规律。

涂层刀具切削1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢时的磨损机制主要包括磨损初期的前刀面月牙洼磨损和剧烈磨损阶段的涂层剥落。

车削1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢时,涂层刀具磨损量与切削深度、切削时间为正相关,与进给量、切削速度为负相关。对刀具磨损量影响最大的工艺参数是切削深度,然后依次为进给量、切削时间、切削速度。

车削1Cr11Ni23Ti3MoB不锈钢时,加工表面粗糙度与工艺参数之间呈单调关系,表面粗糙度值随切削速度的提高、切削深度的增大而减小,随进给量的增大而增大。对加工表面粗糙度影响最大的工艺参数是切削速度,然后为进给量、切削深度。