金属陶瓷刀具切削难加工材料时的磨损性能研究www.tool-tool.com

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1 引言

随 着机械工业的发展，许多难加工材料(如冷硬铸铁、淬硬钢、不锈钢、钛合金等)的应用日趋广泛。1Cr18Ni9Ti 不锈钢属于奥氏体不锈钢，导热性差、韧性好，难于加工。该不锈钢中Cr和Ni含量较高，Cr虽能提高不锈钢的强度和韧性，但增加了不锈钢与刀具的粘结倾 向；Ni可起到稳定奥氏体组织的作用，但奥氏体组织塑性大，容易引起加工硬化。在实际生产中一般采用钨钴类(YG8等)硬质合金刀具进行加工，但加工效果 并不十分理想。冷硬铸铁中的C主要以Fe3C等碳化物的形式存在，且相当一部分以硬质点的形态分布于钢基体中，因此冷硬铸铁硬度高、耐磨性好，难于切削加工。切削时，硬质点的脱落会造成切削力波动，影响切削平稳性，使刀具较易崩刃而降低使用寿命。因此，迄今国内尚无切削加工冷硬铸铁的理想方法。 Ti (C，N)基金属陶瓷因具有硬度高、耐磨性好、导热性好等优良的综合性能而被广泛用作工具材料。本文通过切削试验，研究了经纳米TiN改性的TiC基金属 陶瓷刀具加工冷硬铸铁和不锈钢两种难加工材料时的切削性能，并与YG8硬质合金刀具进行了对比，为拓宽金属陶瓷刀具的应用范围，将其用于难加工材料切削加 工提供了试验依据。 2 试验方法 金属陶瓷刀片(型号为SNUN150406)的材料成分为54TiC-10TiN (纳米粉)-15Mo-20Ni-1C。TiN 纳米粉由中国科学院成都有机化学研究所生产，粒度为30～50nm。制备时，先用ZB220-T超声波仪对TiN纳米粉进行分散，混料后加入适量无水乙醇 并球磨24小时；待混合料干燥后，加入PVA进行造粒，然后在170MPa压力下模压成型；最后在1400℃温度下真空烧结1小时。 切削试验在6140机床上进行。被加工工件分别为Ø183mm冷硬铸铁轧辊(硬度>50HRC)和Ø80mm奥氏体不锈钢钢棒(1Cr18Ni9Ti)。刀具安装角度为a0=9°、g0=-8°、kr=90°、kr'=30°。YG8硬质合金刀片(株洲硬质合金厂生产)的型号及切削参数(切削速度vc、进刀量f及切深ap)与金属陶瓷刀片相同。进行切削后，在40倍工具显微镜下测量刀具后刀面磨损量VB并观察其磨损形态，用HITACHIX-650扫描电镜和H-800透射电镜观察金属陶瓷刀具的显微组织。 (a)SEM形貌(×3000) (b)TEM形貌(×20000) 图1 金属陶瓷刀具的显微组织 (f=0.08mm/r，ap=2mm，vc=7.5m/min) 图2 金属陶瓷刀具和YG8刀具切削冷硬铸铁时的磨损曲线 (f=0.1mm/r，ap=0.4mm，vc=60m/min) 图3 金属陶瓷刀具和YG8刀具切削不锈钢时的磨损曲线 3 试验结果与分析 金属陶瓷刀具的显微组织 金 属陶瓷刀具的显微组织如图1所示。由图可见，金属陶瓷组织由陶瓷相和金属相组成(图1a)；较粗大的陶瓷相呈芯/壳结构(图1b)，芯部成分为Ti(C， N)固溶体，壳部成分主要为(Ti，Mo，W)(C，N)固溶体。与传统的Ti(C，N)基金属陶瓷显微组织对比可知，向TiC基金属陶瓷中添加纳米 TiN与添加微米TiN相比，对基体TiC的细化效果更为显著。 金属陶瓷刀具与YG8刀具切削性能对比 切削冷硬铸铁 用 金属陶瓷刀具和YG8硬质合金刀具切削冷硬铸铁时的刀具磨损曲线对比如图2所示。由图可见，金属陶瓷刀具的切削性能与YG8硬质合金刀具差别较大，金属陶 瓷刀具初期磨损非常快，在不到三分钟时间内磨损量VB即达到0.4mm，之后磨损速度虽有所下降，但仍然较快，且几乎不存在稳定磨损期，最后刀具崩刃失 效。 在其它切削用量条件下进行切削试验，发现金属陶瓷刀具的切削寿命(t)均较低(最多几分钟)，失效形式一般为崩刃或微崩。由此可 见，金属陶瓷刀具不适合切削冷硬铸铁，这主要因为金属陶瓷的抗弯强度和抗疲劳强度较低，切削冷硬铸铁时切削力和切削力波动均较大，因此金属陶瓷刀具极易崩 刃失效。而YG8硬质合金刀具强度高、韧性好，抗机械疲劳性能较好，切削冷硬铸铁时刀具寿命较长。此外，切削冷硬铸铁时，刀具几何角度也是影响刀具寿命的 一个重要因素。为减小切屑变形和切削力，一般需采用较小的前角和后角，为了不降低刀刃强度，还需对刀刃进行倒圆或磨出负倒棱以及通过研磨消除刀刃缺陷。 切削不锈钢 用 金属陶瓷刀具和YG8硬质合金刀具切削1Cr18Ni9Ti不锈钢时的磨损曲线对比如图3所示。由图可见，金属陶瓷刀具的切削性能优于YG8硬质合金刀 具，其寿命是YG8刀具的三倍以上，这主要得益于金属陶瓷材料优良的综合力学性能和导热性好、抗粘结性能好等优良的物理性能［6］。采用金属陶瓷刀具加工 的工件表面质量也优于YG8刀具。因此可见，金属陶瓷刀具较适合不锈钢的半精加工和精加工。 加工不锈钢材料时，为保证切削加工顺利进行 并获得较高的刀具寿命和工件表面质量，应注意以下几点：①应选用较大前角和较小主偏角，以减小切削力，使切削更轻快；②应仔细研磨刀具的前面和后面，以获 得较高的表面光洁度，以避免切削时与工件发生粘结；③选用较高的切削速度或极低的切削速度；④不锈钢切屑的韧性较强，故应采取相应的有效措施进行断屑、卷 屑及排屑；⑤不锈钢材料导热性差、线膨胀系数较大，在切削区域局部高温作用下极易产生热变形，精加工时容易影响尺寸精度，因此应选用导热性较好的刀具；⑥ 应尽量提高机床—刀具工艺系统的刚度。 4 结论 由于金属陶瓷刀具的抗弯强度和抗疲劳强度较低，在切削冷硬铸铁时切削力和切削力波动较大，因此刀具寿命较低且多以崩刃、微崩的形式失效。而YG8硬质合金刀具的寿命相对较高。 由于金属陶瓷刀具具有优良的综合力学性能和物理性能，因此在切削1Cr18Ni9Ti不锈钢时其刀具寿命远高于YG8硬质合金刀具。

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