郭延艷,　管云飛

(1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心, 哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

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陶瓷刀具高速車削GH4169高溫合金切屑實驗

郭延艷1,管云飛2

(1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心, 哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

針對陶瓷刀具WG300車削高溫合金GH4169,設(shè)計了車削加工實驗,利用掃描電鏡(SEM)圖和能譜分析(EDS)圖對產(chǎn)生的切屑的形態(tài)和元素進(jìn)行研究,得到了切削速度對切屑的影響規(guī)律,觀察到刀具和工件在切削過程中發(fā)生元素的擴(kuò)散現(xiàn)象。隨著切削速度的增加,切屑出現(xiàn)顯著的鋸齒狀,其成分中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多,Al和O元素沒有顯著變化,表明刀具中的Al2O3較為穩(wěn)定。該研究對陶瓷刀具加工過程中的切削速度的選擇具有指導(dǎo)和參考意義。

陶瓷刀具; 高溫合金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溫力學(xué)性能,與金屬的親和力小,不易與金屬產(chǎn)生黏結(jié),并且化學(xué)穩(wěn)定性好。國外使用陶瓷刀具切削高溫合金,切削速度已經(jīng)達(dá)到700 m/min,其速度是硬質(zhì)合金刀具的10倍。采用陶瓷刀具進(jìn)行高溫合金零件的粗加工,可以減少加工周期,從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對陶瓷刀具在切削高溫合金過程中的切削特性[1]、刀具磨損[2-3]、切削溫度[4]、溝槽磨損[5]、切削力[6]及表面粗糙度[7]進(jìn)行了深入的研究。但針對GH4169(Inconel718)的高速車削切屑依然缺乏系統(tǒng)的研究。筆者使用陶瓷刀具WG300對高溫合金GH4169進(jìn)行了高速車削實驗,利用掃描電鏡(SEM)圖和能譜分析(EDS)圖對產(chǎn)生的切屑的形態(tài)和元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析,研究了切削速度對切屑變形的影響,觀察到了鋸齒形切屑的形成以及刀具和工件在切削過程中發(fā)生的元素擴(kuò)散現(xiàn)象。

1　車削實驗

1.1實驗材料、刀具與設(shè)備

工件材料:GH4169高溫合金。

鎳基高溫合金GH4169晶體為面立方結(jié)構(gòu),一般經(jīng)過固溶、時效或固溶+時效強(qiáng)化,達(dá)到使用要求。強(qiáng)化時析出大量細(xì)小的金屬化合物Ni3Nb(γ″)和Ni3(γ′),均勻彌散在基體中。而γ″相和γ′相在相當(dāng)?shù)母邷叵逻€有很高的強(qiáng)度,因此抵抗變形的能力也很大。當(dāng)溫度達(dá)到1 200 ℃,γ″相和γ′相都會粗化,但γ″相仍是主要的強(qiáng)化相。如果溫度繼續(xù)升高,則γ″相會迅速粗化,并會部分溶解,從而導(dǎo)致強(qiáng)度明顯下降。表1和表2分別介紹了GH4169的物理力學(xué)性能和其化學(xué)成分,它的含鎳量為50%～55%,主要是由Fe、Cr、Nb 等元素構(gòu)成的。

刀具材料為美國綠葉公司生產(chǎn)的WG300增強(qiáng)陶瓷。因其高速切削時具有優(yōu)秀的耐磨性和抗熱震性,已經(jīng)廣泛運(yùn)用于切削鎳基合金,而且其金屬切除率是硬質(zhì)合金刀具的十倍。陶瓷刀具耐高溫,對于硬質(zhì)合金刀具,當(dāng)溫度達(dá)到850～1 100 ℃時,其強(qiáng)度隨著溫度的上升而急劇下降,但是WG300則依然保持著平穩(wěn)的變化。

表1　GH4169的物理力學(xué)性能

表2　GH4169 化學(xué)成份

數(shù)控車削加工中心的選擇對高溫合金車削實驗有重要的影響。這里使用的型號為MAATURN 65的數(shù)控車削中心,其主軸轉(zhuǎn)速0～5 000 r/min,主軸功率21 kW,最大工件直徑為500 mm,四軸聯(lián)動,刀庫容量12。

1.2切屑分析設(shè)備

掃描電子顯微鏡,簡稱掃描電鏡(SEM),是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。文中采用的熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(CamScan MX2600)。該設(shè)備可以對切屑表面進(jìn)行形貌分析和能譜分析。

1.3實驗方案

在研究GH4169高溫合金切屑時,該實驗選取高于常規(guī)值的切削參數(shù)。

車削參數(shù):背吃刀量ap=1 mm，每齒進(jìn)給量fz=0.1 mm/r不變。車削方案:只改變切削速度,對陶瓷刀具WG300在切削速度c分別為150、190、250、310 、370 m/min產(chǎn)生的切屑進(jìn)行微觀分析與能譜分析。

2　切屑形態(tài)

2.1切削速度對切屑的影響

在普通切削速度條件下,各種材料的變形特點在很大程度上取決于材料本身的性質(zhì),可分為連續(xù)切屑和不連續(xù)切屑兩大類。一般情況下,塑性較好的材料往往產(chǎn)生連續(xù)切屑,而塑性較差的材料容易產(chǎn)生不連續(xù)切屑。對鎳基高溫合金,當(dāng)切削速度達(dá)到高速切削后,切屑變形特點發(fā)生明顯變化,從連續(xù)切屑變?yōu)椴贿B續(xù)切屑。隨著切削速度的提高,剪切變形區(qū)越來越窄,形成集中剪切滑移,最終產(chǎn)生單元體相互分離的節(jié)狀切屑[8]。

在高速切削高溫合金的過程中,刀尖處的塑性應(yīng)變較大,產(chǎn)生高溫,首先在此區(qū)域發(fā)生熱塑形性失穩(wěn)。當(dāng)這種熱塑性失穩(wěn)發(fā)展到一定階段時,刀具開始積壓即將形成節(jié)狀切屑,從而形成有規(guī)律的鋸齒狀切屑。

傳統(tǒng)的研究切屑的方式主要是利用光學(xué)顯微鏡觀察切屑。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,如今透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡在金屬切削領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。文中對陶瓷刀具WG300切削GH4169的切屑進(jìn)行微觀分析。

WG300晶須增韌陶瓷刀具在c=150 m/min時,切屑形態(tài)為帶狀切屑(圖1a)。它的內(nèi)表面和外表面都相對光滑。隨著切削速度的升高,觀察發(fā)現(xiàn),切屑的鋸齒化程度在逐漸變強(qiáng)、扭曲。從圖1中可以看出,切屑表面材料的擠壓也隨著切削速度的增加而增強(qiáng),變形后的晶粒成細(xì)長的纖維狀。在c=370 m/min時,切屑出現(xiàn)很明顯的鋸齒狀。

圖1　不同速度下WG300切屑形貌

2.2切屑的元素分析

由圖2可見,隨著切削速度的增加,切屑中C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不斷增加,五種切削參數(shù)C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.25%、5.68%、9.42%、9.56%、28.14%。在c=310 m/min和c=370 m/min兩組切削參數(shù)下,C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生的很大的變化,說明刀具中的C元素大量流入工件中。同時,作為工件的主要元素Ni也隨著c的變化而變化。在c=150 ～ 310 m/min時,切屑中Ni元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從49.5%逐漸降到了43.5%,然而當(dāng)c=370 m/min時,切屑中Ni 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.43%。切屑中的Al和O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有隨著切削速度的上升而發(fā)生顯著的變化,說明刀具中的Al2O3較為穩(wěn)定,沒有進(jìn)入工件材料。

圖2　不同切削速度的切屑能譜分析

3　結(jié)束語

由WG300陶瓷刀具高速車削GH4169實驗,得到了切屑隨著切削速度的變化規(guī)律,觀察到切屑的元素擴(kuò)散現(xiàn)象。切屑的鋸齒化程度隨著車削速度的升高越來越明顯,切屑依舊還是帶狀切屑,并未明顯產(chǎn)生斷裂。然而,切屑中主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),隨著車削速度的增加發(fā)生明顯的變化,尤其是C元素和Ni元素。

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(編輯晁曉筠)

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

國家自然科學(xué)基金項目(51075128);國家科技重大專項項目(2010ZX04016-012)

郭延艷(1982-),女,山東省濟(jì)寧人,講師,碩士,研究方向:加工動力學(xué)、多軸數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)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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