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        微織構(gòu)自潤滑刀具干切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的切削性能

        2015-12-09 09:07:42龍遠(yuǎn)強(qiáng)鄧建新周后明
        機(jī)械工程材料 2015年3期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼

        龍遠(yuǎn)強(qiáng),鄧建新,周后明,易 斌

        (湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湘潭411105)

        0 引 言

        奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的綜合力學(xué)性能,廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、建筑、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-2]。但由于奧氏體不銹鋼本身的高塑性、高延展性以及導(dǎo)熱性差等特點(diǎn),使得其在機(jī)加工過程中容易出現(xiàn)切削溫度高、切削力大、加工硬化嚴(yán)重等問題,是典型的難加工材料[3]。尤其在干切削加工時(shí),由于缺少切削液的潤滑作用,刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦加劇,引起切削溫度驟升、切屑粘結(jié)嚴(yán)重、刀具磨損加劇、工件加工表面質(zhì)量惡化等一系列問題。為解決奧氏體不銹鋼的干切削難題,國內(nèi)外學(xué)者從刀具材料[4]、切削工藝[5]及涂層技術(shù)[6-7]等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。

        表面微織構(gòu)技術(shù)是在摩擦副表面加工出具有一定尺寸、規(guī)則的幾何形貌(如微槽、微孔等)[8],相對于光滑表面而言,合理的微織構(gòu)表面能夠?qū)崿F(xiàn)良好的減摩、降磨以及抗粘結(jié)效果[9-10]。微織構(gòu)刀具能夠減少刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦,提高刀具的切削性能,特別是在加工難切削、易粘刀材料時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。日本學(xué)者Enomoto[11]等利用飛秒激光在WC-Co硬質(zhì)合金銑刀的前刀面上加工出了微槽型納微織構(gòu),并在織構(gòu)表面涂覆DLC(類金剛石)涂層,然后使用這種表面微織構(gòu)刀具對鋁合金進(jìn)行切削試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),納微織構(gòu)刀具在干切削和微量潤滑條件下都能有效降低切削力,減少鋁切屑與刀具的粘結(jié);Kawasegi[12]等利用飛秒激光在車刀前刀面制備了表面納微織構(gòu),該刀具在400m·s-1以上的高速切削條件下的切削力要明顯低于傳統(tǒng)刀具的;Chang[13]等在銑刀前刀面加工出了不同方向的微條織構(gòu),并進(jìn)行切削試驗(yàn),結(jié)果表明,合理方向的微織構(gòu)能夠有效減小刀具的磨損;吳澤[14]、戚寶運(yùn)[15]等利用微織構(gòu)刀具對Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行切削試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),微織構(gòu)在干切削及微量潤滑條件下都能有效減小刀屑間的摩擦,提高鈦合金的切削性能,改善鈦合金切屑粘結(jié)的現(xiàn)象;鄧建新[16-17]等利用飛秒激光在硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具表面加工的納微織構(gòu)在切削過程中能有效減小刀具與切屑間的摩擦,使切削力與切削溫度均得以降低。

        表面微織構(gòu)技術(shù)與固體潤滑劑自潤滑技術(shù)的有機(jī)結(jié)合是改善刀具切削潤滑性能的新思路,鑒于此,作者針對0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的難切削特性,結(jié)合刀具切削受力的特點(diǎn),制備了微織構(gòu)自潤滑刀具,并采用這種刀具與微織構(gòu)無固體潤滑刀具、傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具對奧氏體不銹鋼進(jìn)行切削試驗(yàn),旨在驗(yàn)證微織構(gòu)自潤滑刀具加工奧氏體不銹鋼的良好切削性能。

        1 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)以41605N硬質(zhì)合金刀片(株洲鉆石切削刀具有限公司生產(chǎn))作為基體,其主要成分為WC-6%TiC-6%Co(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),力學(xué)性能如表1所示。對41605N硬質(zhì)合金刀具的前刀面進(jìn)行拋光處理,使其表面粗糙度Ra≤0.05μm;然后利用半導(dǎo)體側(cè)面泵浦YAG激光打標(biāo)機(jī)(主要性能參數(shù)如表2所示)在刀具的前刀面上加工出圓弧型微織構(gòu),制成微織構(gòu)刀具(Surface-textured Tool,簡稱 ST 刀具);加工好的微織構(gòu)如圖1(a)所示,微織構(gòu)的寬度約為30μm,深度約為60μm。為降低微織構(gòu)對刀具強(qiáng)度的影響,圓弧微織構(gòu)距主切削刃約200μm。將加工過的微織構(gòu)刀具放置在無水乙醇溶液中利用超聲波清洗兩次,每次30min,清洗加工微織構(gòu)過程中因燒蝕產(chǎn)生的微粒。在顯微鏡下利用手工涂抹的方法填充固體潤滑劑MoS2,制成微織構(gòu)自潤滑刀具(Surface-textured Tool with Solid Lubricant,簡稱STS刀具),如圖1(b)所示。將對比試驗(yàn)用的傳統(tǒng)硬質(zhì)合金(41605N)刀具簡稱為CT刀具。

        表1 刀具基體的主要力學(xué)性能Tab.1 Main mechanical properties of tool substrate

        表2 激光打標(biāo)機(jī)的主要性能參數(shù)Tab.2 Main performance parameters of laser marking machine

        圖1 ST刀具和STS刀具的表面形貌Fig.1 Surface morphology of ST tool(a)and STS tool(b)

        在普通CA6140型車床上進(jìn)行切削試驗(yàn),工件材料為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼,切削方式為連續(xù)干切削,切削刀具分別為STS刀具、ST刀具及CT刀具。對傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具的前刀面進(jìn)行同樣的拋光處理,三種刀具的基材和安裝角度均一致。刀具的主要安裝角度:主偏角為45°,前角為-5°,后角為5°,刃傾角為0°。切削條件:切削速度為60~120m·min-1,進(jìn)給量為0.1mm·r-1,切削深度為0.4mm。

        使用Kister9257BA型壓電晶體動(dòng)態(tài)測力儀對切削力進(jìn)行測試;使用Fluke Ti32型手持式熱成像儀對穩(wěn)定切削過程中的溫度分布進(jìn)行成像,并將成像中的最高溫度作為切削溫度;利用JSM-6610LV型掃描電鏡(SEM)觀察刀具前刀面的磨損形貌;使用手持式數(shù)碼顯微鏡觀察切屑的形貌。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 切削力

        由圖2(a)可知,STS刀具與ST刀具在開始切削時(shí)的切削力均低于CT刀具的,且填充有固體潤滑劑的STS刀具表現(xiàn)出了更低的切削力。STS刀具開始切削時(shí)便有大量的固體潤滑劑溢出,從而使切削力較小。由圖2(b)可見,切削3min后繼續(xù)切削時(shí),STS刀具的切削力仍小于CT刀具與ST刀具的,而ST刀具與CT刀具的相差不大。這表明STS刀具在持續(xù)切削過程中仍具有較小的切削力。

        由圖3可見,與CT刀具相比,STS刀具在60~120m·min-1切削速度下穩(wěn)定切削時(shí)的主切削力下降了8%~16%,切削抗力下降了12%~17%,進(jìn)給抗力下降了5%~17%。

        圖2 三種刀具在切削速度為120m·min-1時(shí)的主切削力Fig.2 Main cutting force of CT tool,ST tool and STS tool at cutting rate of 120m·min-1:(a)at the begining of cutting and(b)after cutting for 3min

        圖3 三種刀具在不同切削速度下穩(wěn)定切削時(shí)的三向切削力Fig.3 Three direction forces of three kinds of cutting tools at different cutting speed as tables:(a)main cutting force;(b)thrust cutting force and(c)feed cutting force

        2.2 切削溫度

        由圖4可知,STS刀具在120m·min-1切削速度下的最高溫度出現(xiàn)在刀尖處。由圖5可知,在不同的切削速度下,STS刀具的切削溫度明顯低于CT刀具與ST刀具的;與CT刀具相比,STS刀具的切削溫度下降了15%~24%。

        2.3 前刀面的磨損形貌

        刀具在加工不銹鋼時(shí)前刀面的磨損形式主要為粘著磨損。在120m·min-1的切削速度下切削3min后,CT刀具的前刀面出現(xiàn)了較嚴(yán)重的切屑粘結(jié),而STS刀具由于固體潤滑劑的作用僅出現(xiàn)輕微的粘結(jié),如圖6所示,CT刀具、ST刀具和STS刀具上 切 屑 粘 結(jié) 的 長 度 分 別 為 0.782,0.712,0.608mm??梢姡琒TS刀具的切屑粘結(jié)長度比CT刀具的約減小了22%,STS刀具的抗粘結(jié)性能明顯優(yōu)于CT刀具與ST刀具的。

        圖4 STS刀具在120m·min-1切削速度下的溫度分布Fig.4 Temperature distribution of STS tool at cutting rate of 120m·min-1

        圖5 三種刀具在不同切削速度下的切削溫度Fig.5 Cutting temperature of three kinds of tools at different cutting rates

        2.4 切屑形貌

        由圖7(a)可知,STS刀具切屑的曲卷半徑明顯小于CT刀具切屑的。由圖7(b~c)可見,在相同的切削條件下,STS刀具切屑被剪切的次數(shù)要高于CT刀具切屑的,這表明STS刀具的剪切角大于CT刀具的。此外還可以看出,STS刀具切屑的變形明顯小于CT刀具的。

        2.5 討 論

        試驗(yàn)結(jié)果表明,在切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼時(shí),與傳統(tǒng)CT刀具相比,STS刀具有更低的切削力及切削溫度,改善了切屑在前刀面的粘結(jié),減小了切屑的曲卷半徑,表現(xiàn)出了更佳的切削性能。STS刀具切削性能的改善主要?dú)w因于微織構(gòu)與固體潤滑劑的雙重作用。由金屬切削理論可知,主切削力Fz可近似表示為:

        式中:Ff為切削摩擦力;β為摩擦角;γ0為刀具前角;aw為切削寬度;lf為刀屑接觸長度;τc為平均剪切應(yīng)力;Ar為切削寬度。

        在切削過程中,切削力與切削熱作用使得MoS2固體潤滑劑從微織構(gòu)中擠出,并隨著切屑的移動(dòng)而涂覆在刀具和切屑的接觸面上,形成固體潤滑膜,因此使得平均剪切應(yīng)力減小,進(jìn)而使得切削摩擦力減小,從而降低了切削力與切削溫度。此外,微織構(gòu)與固體潤滑劑的作用亦使切屑與刀具的接觸長度減小,剪切角增大,從而增加了切屑的曲卷,有利于切削斷屑。

        圖6 三種刀具在120m·min-1切削速度下切削3min后前刀面的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of rank face of three kinds of tools after cutting at cutting rate of 120m·min-1 for 3min:(a)CT tool;(b)ST tool and(c)STS tool

        圖7 CT刀具和STS刀具在100m·min-1切削速度下切削3min后得到的切屑形貌Fig.7 Morphology of ships obtained by CT tool and STS tool cutting at cutting rate of 100m·min-1for 3min:(a)macrograph;(b)CT tool chip,partial enlarged view and(c)STS tool chip,partial enlarged view

        切屑的移動(dòng)方向與微槽織構(gòu)方向近似垂直,如圖8所示,切屑移動(dòng)經(jīng)過微織構(gòu)時(shí)使刀屑接觸面積減少,進(jìn)而使切屑不能牢固地粘結(jié)在微織構(gòu)區(qū)域,特別是當(dāng)切屑經(jīng)過填充有固體潤滑劑的微織構(gòu)時(shí),切屑難以粘結(jié)在織構(gòu)后方,如圖8(b)所示。

        圖8 ST刀具和STS刀具微織構(gòu)處的切屑形貌Fig.8 Chip adhension micrograph on texture area of ST tool(a)and STS tool(b)

        3 結(jié) 論

        (1)與傳統(tǒng)刀具相比,微織構(gòu)自潤滑刀具的主切削力、切削抗力、進(jìn)給抗力分別降低了8%~16%,12%~17%,5%~17%,同時(shí)切削溫度也降低了15%~24%,明顯提高了0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的切削性能。

        (2)填充固體潤滑劑的微織構(gòu)具有良好的抗粘結(jié)性能,微織構(gòu)自潤滑刀具能有效改善切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼時(shí)的粘刀現(xiàn)象,切屑粘結(jié)長度約減小了22%。

        (3)微織構(gòu)自潤滑刀具能增加切屑的曲卷,提高切屑的斷屑能力。

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