吳志遠，胡振峰，巴國召，姚巨坤

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072)

基于堆焊、電鍍和熱噴涂等表面成形技術對失效零件進行修復的再制造工藝是我國再制造的特色工藝手段之一［1-2］。但這些加法加工手段所形成的尺寸精度和表面粗糙度一般都遠遠達不到零件圖所規(guī)定的質(zhì)量要求，合格的再制造零件仍需要經(jīng)過一定的機械加工。再制造表面強化層普遍具有的高硬度，使得加工過程中刀具打刀現(xiàn)象嚴重，一些高硬材料甚至無法進行切削［3-9］。筆者嘗試采用勻質(zhì)難加工材料中較為成熟的加熱切削方法［10-11］對高硬再制造表面強化層進行切削，探討該工藝的應用效果及一般規(guī)律。

1 試驗條件

設備:CA6240車床、砂輪機、氧乙炔裝置、紅外線測溫儀 ST-677。

刀具:硬質(zhì)合金YG610、立方氮化硼(CBN)、氮化硅陶瓷刀具。

試件:堆焊表層材料，硬度為HRC60，外形尺寸為φ50 mm×176 mm。

2 常溫切削試驗

采用各種試驗參數(shù)組合對硬度為HRC60的堆焊層進行常溫切削試驗。試驗過程中各種刀具破損嚴重，切削里程最多達到20～30 mm。圖1為試驗中3種刀具的破損情況。

圖1 常溫切削硬度為HRC60堆焊層時打刀情況(10×)

3 加熱切削試驗

為了解決高硬堆焊材料的加工問題，筆者嘗試采用加熱切削的方法進行探索。具體試驗方法如下:采用氧乙炔火焰對試件進行預熱，并采用紅外測溫儀檢測試件表面溫度，當溫度接近正交試驗所設計的試驗溫度時進行切削試驗。試驗時應用測溫儀實時監(jiān)控并通過調(diào)整火焰與試件的距離來控制試件溫度，如圖2所示。

圖2 加熱切削工況圖

3.1 硬質(zhì)合金YG610對堆焊層加熱切削試驗

3.1.1 正交試驗設計及試驗結(jié)果

試驗采用4因素3水平的正交試驗設計，4因素包括切削3要素(切削速度v、進給量f、切削深度ap)和加熱溫度，它們是影響刀具應用效果優(yōu)劣的主要因素。試驗評價指標采用傳統(tǒng)的刀具后刀面磨損量VB值來衡量。具體試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1所示。

3.1.2 試驗結(jié)果分析

1)最優(yōu)方案的確定。依據(jù)切削過程中刀具VB值越小則刀具切削能力越強的原則，從表1中可得出最優(yōu)的水平組合是A1B1C3D1，即加熱溫度為400℃、切削速度為39 m/min、進給量為0.24 mm/r、切削深度為1 mm時，刀具VB值達到最小。

2)因素的主次順序。從極差大小可知:本試驗的主次順序為B、A、C、D，即切削速度、表面溫度、進給量、切削深度對刀具耐用度的影響逐漸減小。其中切削速度的影響最大，刀具VB值隨著切削速度的增大而急劇下降;切削深度雖然對刀具耐用度有所影響，但影響最小;進給量的影響也非常小;表面溫度的影響居中。因此，在本切削試驗中，通過提高切削深度來減小刀具VB值是較為有利的。

表1 HRC60堆焊層沖擊表面正交試驗與數(shù)據(jù)處理

3)刀具切削因素影響實質(zhì)分析。圖3為YG610硬質(zhì)合金刀具的切削效應曲線。由圖3可以看出:表面溫度、切削速度、進給量、切削深度對刀具切削里程的影響都是單調(diào)的;其中，進給量隨著取值的增大，刀具的VB值減小，而其他因素隨著取值的增大，刀具VB值呈增大趨勢。

圖3 YG610硬質(zhì)合金刀具切削效應曲線圖

對各試驗結(jié)果進行綜合分析還可以發(fā)現(xiàn):對切削溫度影響最大的切削速度和表面加熱溫度也是對試驗結(jié)果影響最大的2個參數(shù)。這說明加熱切削中對切削區(qū)溫度的控制是實現(xiàn)試驗目標的關鍵因素。試驗結(jié)果中，表面加熱溫度為400℃和切削速度為39 m/min的最佳值都是參數(shù)中最低的選項。由于硬質(zhì)合金的紅硬性僅有800～1 000℃，遠低于陶瓷刀具和立方氮化硼的紅硬性，由此可以推斷:加熱切削條件下，切削熱和加熱熱量的疊加不應超過硬質(zhì)合金的最大承受能力，否則將引起刀具的加速磨損。

3.2 氮化硅陶瓷刀具對堆焊層加熱切削試驗

3.2.1 正交試驗設計及試驗結(jié)果

采用與硬質(zhì)合金YG610相同的試驗條件及評價方法，對氮化硅陶瓷刀具進行加熱切削正交試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

3.2.2 試驗結(jié)果分析

1)最優(yōu)方案的確定。從表2可知:應用氮化硅陶瓷刀具在加熱切削過程中最佳的工藝參數(shù)為A2B3C1D2，即加熱溫度為 500℃、切削速度為88 m/min、進給量為0.08 mm/r、切削深度為2 mm時，刀具VB值達到最小。

2)因素的主次順序。從極差大小可知本試驗的主次順序為B、C、D、A，即切削速度、進給量、切削深度、表面溫度對刀具耐用度的影響逐漸減小。其中切削速度的影響最大，刀具VB值隨著切削速度的增大而急劇增加，刀具切削能力急劇下降;表面溫度雖然對刀具耐用度有所影響，但影響最小;切削深度和進給量的影響居中。

表2 HRC60堆焊層沖擊表面正交試驗與數(shù)據(jù)處理

3)刀具切削因素影響實質(zhì)分析。陶瓷刀具在加熱切削的正交試驗中都產(chǎn)生了較大的磨損，其最小的VB值為0.88 mm，大大超過了經(jīng)濟切削所能承受的刀具磨損速度。因此，該種刀具不適宜用作高硬材料加熱切削。圖4為陶瓷刀具切削效應曲線，可以看出:表面加熱溫度和切削速度這2個對切削區(qū)溫度影響最大的因素，它們?nèi)≈档奶岣卟⒉粫鸬毒呒铀倌p，而且隨著切削速度的提高，刀具磨損還呈現(xiàn)下降趨勢。因此，可以認為陶瓷刀具較高的紅硬性對加熱切削過程是十分有利的。

圖4 陶瓷刀具切削效應曲線

圖5為加熱切削時氮化硅陶瓷刀具的破損形貌，可以看出:刀具在常溫切削條件下的宏觀破壞性崩刃在加熱切削條件下轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｄp，刀具失效模式發(fā)生了根本性的改變。本試驗中，陶瓷刀具之所以不能得到很好的應用效果，其主要原因是加熱工藝條件下試件所產(chǎn)生的沖擊力仍高于陶瓷刀具所能承受的范圍。

圖5 加熱切削時氮化硅陶瓷刀具破損形貌(10×)

3.3 CBN刀具對堆焊層加熱切削試驗

采用相同試驗條件，對CBN刀具進行加熱切削試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn):正交試驗的各種試驗參數(shù)條件下，刀具都迅速出現(xiàn)了非正常破損，使得加工難以穩(wěn)定進行。其基本破壞形式(如圖6所示)與常溫切削并沒有發(fā)生本質(zhì)的變化，因此可以認為CBN刀具不適于用作高硬堆焊材料的加熱切削。

4 結(jié)論

1)試驗結(jié)果表明:CBN刀具不適于用作高硬堆焊材料的加熱切削;氮化硅陶瓷刀具盡管取得了一些效果，但刀具磨損速度仍然較快;YG610高性能硬質(zhì)合金應用效果較為理想。

圖6 加熱切削時CBN刀具破損形貌(10×)

2)YG610刀具切削時，紅硬性是限制其應用的主要因素。試驗中刀具磨損隨表面加熱溫度、切削速度、切削深度的提高而增大，隨進給量取值的增大而減小。其中切削速度對刀具VB值的影響最大，而進給量和切削深度對刀具VB值的影響較小。

3)具有高紅硬性的刀具材料更適用于加熱切削，但高硬堆焊材料加熱切削時對刀具的沖擊仍然較大，切削刀具需要具備較高的韌性。因此，理想的加熱切削刀具需要同時具備較高的紅硬性和韌性，兩者缺一不可。

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