□ 胡水良 □ 魏根波

中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所 四川綿陽(yáng) 621000

1 試驗(yàn)背景

在釩合金材料車(chē)削過(guò)程中,釩合金容易與切削刀具中的合金元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為明顯的切屑粘刀,并且刃口磨損較為嚴(yán)重,影響零件的加工質(zhì)量和效率。釩合金材料的塑性高,在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的切削變形,由此導(dǎo)致切削力和切削熱急劇增大。另一方面,由于釩合金的導(dǎo)熱性差,在切削過(guò)程中熱量不易散發(fā),切削區(qū)內(nèi)形成較高溫度,造成刀具劇烈磨損,進(jìn)而失效。由以上介紹可見(jiàn),釩合金是一種典型的難加工材料。筆者針對(duì)釩合金棒料,利用三種牌號(hào)的切削刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,KC5010 TiAlN涂層刀具在切削釩合金材料時(shí),具有良好的切削效果。

2 釩合金材料性能分析

釩合金材料屬于典型的難加工材料。試驗(yàn)中使用的V-5Cr-5Ti釩合金材料化學(xué)成分見(jiàn)表1,物理性能見(jiàn)表2。釩合金材料主要成分為釩、鉻、鈦。釩及其同族元素鈮、鉭與鎢、鈦、鋯、鉻為元素周期表中的臨近元素,化學(xué)性質(zhì)相似。鎢、鈦、鋯、鉻等是刀具或涂層的主要合金元素,釩與這些合金元素具有一定的親和性,容易產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象。因此,釩合金材料在切削過(guò)程中不可避免地會(huì)與刀具中的合金元素產(chǎn)生反應(yīng),宏觀表現(xiàn)為明顯的切屑粘刀現(xiàn)象,且刃口磨損較為嚴(yán)重,同時(shí)影響零件加工質(zhì)量。

表1 V-5Cr-5Ti化學(xué)成分

表2 V-5Cr-5Ti物理性能

3 車(chē)削試驗(yàn)

筆者選擇硬質(zhì)合金刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)V-5Cr-5Ti釩合金棒料進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn),對(duì)刀具使用壽命、刀具磨損量進(jìn)行對(duì)比,明確不同刀具材料車(chē)削加工V-5Cr-5Ti釩合金材料的特性,為后續(xù)V-5Cr-5Ti釩合金材料加工選擇刀具提供依據(jù)。

根據(jù)V-5Cr-5Ti釩合金材料的物理性能,選擇三種牌號(hào)刀具進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn),刀具的成分及切削角見(jiàn)表3。

表3 刀具成分及切削角

切削試樣為φ50 mm×100 mm的V-5Cr-5Ti釩合金棒料,切削參數(shù)中,切削深度為0.2 mm,進(jìn)給量為0.08 mm/r,切削行程為900 mm,切削速度為60 m/min和120 m/min。上述切削參數(shù)下,刀具的使用壽命可通過(guò)刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果

較低速度切削加工V-5Cr-5Ti釩合金棒料時(shí),硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具的切削路程都比較長(zhǎng),刀具使用壽命也較長(zhǎng)。其中,涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命明顯長(zhǎng)于硬質(zhì)合金刀具,約為硬質(zhì)合金刀具使用壽命的1.4倍。當(dāng)切削速度提高時(shí),三種刀具在切削過(guò)程中都會(huì)急劇磨損。

在設(shè)定的切削參數(shù)下進(jìn)行V-5Cr-5Ti釩合金棒料車(chē)削,K313硬質(zhì)合金刀具前、后刀面的表面磨損嚴(yán)重,刀具部分切削刃變形和塌陷,前刀面刃口有不同程度的粘接磨損,刃口圓弧存在部分缺陷。

BU810涂層硬質(zhì)合金刀具車(chē)削V-5Cr-5Ti釩合金棒料后,刀具前刀面與后刀面相接處刃口局部區(qū)域存留粘附物,同時(shí)刃口有一定磨損,造成局部刃口缺失,刀具前、后刀面也有較為明顯的磨粒磨損。

KC5010涂層硬質(zhì)合金刀具車(chē)削V-5Cr-5Ti釩合金棒料后,刃口輪廓較為完整,沒(méi)有出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象,前、后刀面的涂層有一定磨損,未發(fā)現(xiàn)涂層剝落和與切屑粘接現(xiàn)象,由于KC5010涂層硬質(zhì)合金刀具TiAlN涂層減小了刀具與釩合金材料的化學(xué)親和力,因此保護(hù)了刀具,提高了耐用度。

5 刀具磨損分析

釩合金材料的化學(xué)活性高,與硬質(zhì)合金刀具材料具有較強(qiáng)的親和性。在切削過(guò)程中,切屑在壓力作用下快速?gòu)牡毒弑砻婊^(guò),必然有部分切屑粘結(jié)在刀具表面。隨著切屑、工件材料與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),粘結(jié)在刀具表面的切屑會(huì)不斷受到?jīng)_擊。當(dāng)沖擊力大于切屑的粘結(jié)力時(shí),刀具表面的切屑會(huì)被流動(dòng)的切屑帶走,同時(shí)某些刀具的表面晶粒也會(huì)被帶走,周而復(fù)始就會(huì)造成刀具粘結(jié)磨損。

當(dāng)切屑粘結(jié)到刀具表面時(shí),在高溫高壓下,切屑粘結(jié)層與刀具表面緊密接觸,刀具材料中的合金元素會(huì)向粘結(jié)層中產(chǎn)生擴(kuò)散。刀具材料中的元素,特別是鈷元素?cái)U(kuò)散流失,會(huì)極大降低刀具的性能,從而造成刀具擴(kuò)散磨損。由此可見(jiàn),刀具的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損同時(shí)發(fā)生,并相互促進(jìn),共同影響刀具的使用壽命。

6 結(jié)論

筆者選用三種不同牌號(hào)的刀具對(duì)V-5Cr-5Ti釩合金材料進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn),得出試驗(yàn)結(jié)論。

(1)使用硬質(zhì)合金刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具切削加工V-5Cr-5Ti釩合金材料時(shí),涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命長(zhǎng)于硬質(zhì)合金刀具。當(dāng)切削速度提高時(shí),涂層硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金刀具的切削性能相差很小。

(2)KC5010涂層硬質(zhì)合金刀具由于具有TiAlN涂層,切削V-5Cr-5Ti釩合金材料時(shí)具有較好的切削性能。BU810涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命接近KC5010涂層硬質(zhì)合金刀具,切削性能較好。K313硬質(zhì)合金刀具不適合V-5Cr-5Ti釩合金材料的切削加工。