郭麗波

(①萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 萊蕪 271100;②萊蕪市粉末冶金先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 萊蕪 271100)

粉末冶金燒結(jié)硬化作為一種提高粉末冶金零件硬度和強(qiáng)度的低成本工藝技術(shù)正在快速得到應(yīng)用，鐵基燒結(jié)鋼是粉末冶金工業(yè)中產(chǎn)量最大、應(yīng)用量最廣的粉末冶金材料之一。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，鐵基粉末冶金零件得到了迅速發(fā)展。粉末冶金作為生產(chǎn)機(jī)械零件的近凈成形工藝，與零件的機(jī)械加工相比，切削加工工序較少，但是，受模具精度和零件復(fù)雜程度等因素的制約，一些無法成型的槽、孔或成型形狀達(dá)不到規(guī)定的尺寸精度和粗糙度要求，仍然需要切削加工以獲得要求的形狀及精度。并且適當(dāng)?shù)那邢骷庸た梢赃M(jìn)一步拓寬粉末冶金產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，擴(kuò)大市場(chǎng)份額。但其切削加工性能較差，主要表現(xiàn)在切削過程中刀具磨損失效嚴(yán)重、加工效率很低、刀尖鈍化嚴(yán)重、加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，因而使其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用受到很大限制。

為了解決鐵基燒結(jié)鋼實(shí)際生產(chǎn)中切削加工的刀具耐用度、加工質(zhì)量等問題，本試驗(yàn)精選四種刀具進(jìn)行了車削工藝試驗(yàn)，優(yōu)選出適合車削本試驗(yàn)材料的刀具并分析表面粗糙度與切削用量之間的關(guān)系，以便為生產(chǎn)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

(1)試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料是本實(shí)驗(yàn)室在水霧化設(shè)備上，主要用“Ni 粉+FeMo55 +Cr 粉+生鐵”原材料，按一定質(zhì)量百分比例，經(jīng)熔煉—水霧化—脫水—烘干—篩分等工藝處理后獲得的水霧化Fe-1.0Ni-0.5Mo 低合金鋼粉，其化學(xué)成分見表1。

表1 水霧化Fe-1.0Ni-0.5Mo 低合金鋼粉末化學(xué)成分

在水霧化Fe-1.0Ni-0.5Mo 低合金鋼粉的基礎(chǔ)上添加0.8%石墨、0.5%石蠟、1.5%Cu 粉作為成型劑，粉末混合均勻后壓制成試件(如圖1 所示)。

表2 燒結(jié)鋼性能

試件在鉬絲爐中1 160 ℃、氫氣保護(hù)燒結(jié)60 min，然后180 ℃回火，保溫60 min，燒結(jié)后試樣顯微組織為珠光體+鐵素體+多孔結(jié)構(gòu)，其性能見表2 所示。

圖1 試件結(jié)構(gòu)形狀圖

(2)試驗(yàn)刀具

目前常用于切削粉末燒結(jié)鋼的刀具材料有高速鋼、普通硬質(zhì)合金、涂層刀具、細(xì)晶硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具和立方氮化硼刀具等，不同材料的刀具對(duì)燒結(jié)硬化鋼的加工能力有很大差異。

根據(jù)本燒結(jié)鋼試件的難切削性及其生產(chǎn)實(shí)際等因素，試驗(yàn)選用W18Cr4V 高速鋼刀具、YT15 硬質(zhì)合金刀具、YL100 陶瓷刀具和PCBN 刀具來進(jìn)行切削試驗(yàn)，以確定比較適合本試驗(yàn)條件的切削刀具。4 種刀具幾何角度見表3。

表3 試驗(yàn)刀具的幾何角度

(3)試驗(yàn)機(jī)床及測(cè)試工具

本試驗(yàn)采用無級(jí)調(diào)速CA6140 車床，干切削，表面粗糙度的測(cè)量使用2205 型表面粗糙度測(cè)量?jī)x。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 刀具優(yōu)選試驗(yàn)

切削試驗(yàn)采用干切削，以后刀面平均磨損量VB=0.2 mm 作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，在切削參數(shù)相同的條件下，對(duì)幾種材料的刀具進(jìn)行了車削對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與結(jié)果見表4。

從表4 中可知，當(dāng)?shù)镀蟮睹孀畲竽p量VBmax達(dá)到規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，低速切削YT15 硬質(zhì)合金刀具和W18Cr4V 高速鋼刀具耐用度優(yōu)于YL100 陶瓷刀具和PCBN 刀具，而高速切削時(shí)情況恰好相反。由3 種刀具的磨損量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知:高速切削所選PCBN刀具、YL100 陶瓷刀具、耐用度依次降低，PCBN 刀具耐用度約是YT15 硬質(zhì)合金刀具和W18Cr4V 高速鋼刀具耐用度的2～3 倍;低速切削是YT 類硬質(zhì)合金耐用度最優(yōu)，而PCBN 刀具輕微崩刃，耐用度最差。

表4 幾種刀具材料的切削性能對(duì)比

2.2 表面粗糙度試驗(yàn)

采用單因素法進(jìn)行試驗(yàn)，即每次只改變某一切削參數(shù)，其余切削參數(shù)保持不變，用2205 型表面粗糙度測(cè)量?jī)x分別測(cè)量PCBN 刀具、YL100 陶瓷刀具和YT15 硬質(zhì)合金刀具所加工表面的表面粗糙度Ra值，結(jié)果如表5～6 所示(每個(gè)數(shù)值點(diǎn)均為10 次測(cè)量結(jié)果的平均)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)切削速度Vc與表面粗糙度的關(guān)系

采用不同刀具材料及不同切削速度車削試件時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同切削速度時(shí)的表面粗糙度

根據(jù)表5 得到切削速度對(duì)表面粗糙度影響曲線見圖2。

圖2 切削速度對(duì)表面粗糙度的影響

在切削深度和進(jìn)給速度相同的條件下，切削速度較低時(shí)，YL100 陶瓷刀具車削表面粗糙度值最小，在高速切削時(shí)PCBN 刀具切削表面最好，而YT15 硬質(zhì)合金刀具無論在高速還是低速車削試樣，其表面粗糙度值皆為最大。但總體上車削本試件時(shí)Ra值隨Vc值增加而減小。

(2)進(jìn)給量f 與表面粗糙度的關(guān)系

采用不同刀具材料及進(jìn)給量車削試件時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果見表6。根據(jù)該表得到如圖3 所示進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響曲線。

表6 不同的進(jìn)給量時(shí)的表面粗糙度Ra(ap=0.1 mm，Vc=90 m/min)(μm)

圖3 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，進(jìn)給量f 對(duì)Ra值影響很大?？梢钥闯?隨工件進(jìn)給量的增加，加工表面粗糙度值增大，進(jìn)給量增大對(duì)YT15 硬質(zhì)合金刀具加工表面粗糙度影響最大。

3 結(jié)語

(1)焊接硬質(zhì)合金刀具加工低合金燒結(jié)剛，效率低、精度不易保證，但是由于其價(jià)格便宜，可以在加工毛料時(shí)使用;金屬陶瓷具有高硬度、抗積屑瘤和化學(xué)穩(wěn)定性及良好的韌性，在切削時(shí)能有效阻止積屑瘤并能承受高速，相對(duì)PCBN 刀具來說價(jià)格比較便宜，因此陶瓷刀具加工粉末燒結(jié)硬化鋼能兼顧加工效率和刀具性價(jià)比兩個(gè)方面，是粗加工和半精加工的首選;PCBN 刀具在精加工時(shí)，能表現(xiàn)出優(yōu)越性，但由于其性價(jià)比低，制約了其在加工粉末燒結(jié)鋼中的使用。

(2)對(duì)于同一刀具切削加工燒結(jié)鋼時(shí)，切削用量中進(jìn)給量f 對(duì)表面粗糙度影響最大，減小進(jìn)給量可以減小表面粗糙度值;切削速度越高加工表面質(zhì)量越高，其中PCBN 刀具切削表面質(zhì)量最好，適于高速精加工。

(3)在試驗(yàn)過程中用工具顯微鏡觀察刀具的磨損主要是月牙洼磨損和輕度的后刀面磨損。

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