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        硬質(zhì)合金加工20CrMnTi 滲碳淬硬鋼刀具磨損機(jī)理研究

        2021-10-26 07:20:06王西彬朱宇宏
        關(guān)鍵詞:刀面切削速度硬質(zhì)合金

        文 武, 王西彬, 夏 青, 朱宇宏, 王 營

        (1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心, 北京 100044; 2. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院, 北京 100081)

        0 引言

        淬硬鋼[1-2](硬度HRC55~65)是典型的耐磨結(jié)構(gòu)材料[3-4](包括淬火鋼、模具鋼、軸承鋼等),廣泛用于制造各種對硬度和耐磨性要求較高的基礎(chǔ)零部件。 這類工件材料經(jīng)淬火后具有較高硬度,強(qiáng)度高,脆性大,導(dǎo)熱性差,切削加工性極差,屬于難加工材料,通常采用磨削工藝[5]進(jìn)行半精加工和精加工,而磨削工序加工效率低,成本高,砂輪及磨削液消耗量大,粉塵和廢液污染程度嚴(yán)重。

        本文以某設(shè)備關(guān)鍵零件所用的20CrMnTi[6-7]滲碳淬硬鋼為加工對象,針對現(xiàn)行加工效率低、產(chǎn)品質(zhì)量難以保證的切削與磨削工序,通過高效低成本的干切削,優(yōu)化加工工藝,試圖研究出無污染(或污染輕)、高效率的切削加工工藝技術(shù)[8],以提高現(xiàn)行加工效率、加工質(zhì)量,減少加工污染。

        1 試驗條件

        1.1 硬質(zhì)合金刀具的選擇

        硬質(zhì)合金是目前車削加工主要的刀具材料, 硬質(zhì)合金含有大量的碳化物,這些碳化物具有熔點高、硬度高、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性好的特點, 又具有高的抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性,因此適合于硬切削時作刀具材料。 根據(jù)各種硬質(zhì)合金刀具的性能和20CrMnTi 滲碳淬硬鋼的加工特點,選擇的硬質(zhì)合金刀具其主要性能指標(biāo)如表1 所示。

        表1 所選硬質(zhì)合金刀具牌號及性能

        1.2 刀具角度的選擇

        前角γ0及倒棱的選擇:淬硬鋼的硬度和強(qiáng)度都很高,為加強(qiáng)刀刃強(qiáng)度,使刀具有較高的耐用度,必須選擇零度前角,甚至負(fù)前角,本次取刀具的前角為γ0=0°,倒棱寬為bγ1=0.2mm,倒棱前角γ01=-10°。

        后角α0的選擇:為了提高刀具耐用度,選用較大后角,以減小刀具的磨損,本次選擇刀具后角α0=10°。

        主偏角κr的選擇: 考慮到加工淬硬鋼時徑向分力Fy大,為減小Fy宜選用較大的主偏角,試驗中取刀具的主偏角κr=75°。

        刃傾角λs的選擇: 加工淬硬鋼應(yīng)采用負(fù)的刃傾角,以使刀刃強(qiáng)度和實際前角增加,并保護(hù)刀尖不受沖擊,試驗中取刀具的刃傾角λs=-6°。

        1.3 其它加工條件

        機(jī)床:C6130 臥式車床(無級調(diào)速);

        20CrMnTi 試件尺寸:Φ90mm×400mm;

        試件硬度:HRC58-62;

        潤滑狀態(tài):干式切削。

        2 實驗結(jié)果

        圖1 是硬質(zhì)合金刀具YT726 的磨損曲線, 取磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為vB=0.3mm,當(dāng)切削速度V=25m/min 時,刀具的耐用度為16 min;當(dāng)切削速度提高到30m/min 時,刀具的耐用度為10 min;當(dāng)切削速度達(dá)到35m/min 時,刀具的耐用度為7 min,可見切削速度對刀具耐用度的影響較大,且切削速度提高YT726 刀具的耐用度下降較快。

        圖1 硬質(zhì)合金刀具YT726 磨損曲線(切削用量:ap=0.3mm、f=0.15mm/r)

        圖2 是在掃描電子顯微鏡下拍攝到的硬質(zhì)合金刀具YT726 前刀面上的磨損形貌,磨損區(qū)表面很光滑,其它磨損區(qū)有加工紋理, 前刀面磨損寬度在0.3~0.40mm 之間,長度約為1mm,磨損深度較小,且整個磨損區(qū)磨損深度變化不大,月牙洼形態(tài)不明顯,有這種較特殊磨損形貌是因為材料硬度大,切削溫度高,硬質(zhì)合金的耐熱性不夠,使得參與磨損的所有區(qū)域均勻磨損,切屑較長,使得磨損區(qū)域較大,圖中還可看到有粘結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。

        圖3 是硬質(zhì)合金刀具YT726 后刀面的磨損形貌,從圖中可以看到后刀面上存在著狹長的以機(jī)械磨損為主的磨損帶,磨損帶上各點的磨損比較均勻,此時刀具正處于正常磨損階段,磨損量vB 約為0.15mm。

        圖3 YT726 后刀面的磨損形貌(SEM 200×)

        從圖4 可以看出硬質(zhì)合金刀具YT726 的基體上主要含有Ti、Co、C、W 等元素和微量的Cr、Fe 等元素。 由圖5(a)和表2 可知:硬質(zhì)合金刀具YT726 前刀面磨損區(qū)與刀具基體比較,Cr、Ti 、Fe 等元素的含量都有了較大幅度的提高,分別達(dá)到了1.36%、2.28 %和58.65%,出現(xiàn)了0.63%的Mn 元素,而Co、W、C等元素的含量有了大幅度的下降,分別降到了0.95%、35.59%和0.33%。 由圖5(b) 和表2 可知:硬質(zhì)合金刀具YT798后刀面磨損區(qū)與刀具 基 體 比 較,Ti、Fe元素的含量有較大幅度的提高,分別達(dá)到了3.01%和40.57%,出現(xiàn)了0.81%的Mn 元素,而Co、W、C 等元素的含量有了大幅度的下降,分別降到了2.45%、41.88 %和1.35%。 從以上數(shù)據(jù)可知, 刀具的前、后刀面磨損區(qū)都發(fā)生了嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損,硬質(zhì)合金中Co、W、C 等元素向切屑和工件中擴(kuò)散,工件中Cr、Ti 、Fe、Mn 等元素向硬質(zhì)合金中擴(kuò)散,形成了新的低硬度、高脆性的復(fù)合化合物,又由于Co 的擴(kuò)散,WC、TiC 等碳化物因粘結(jié)劑Co 的減少而降低其與基體的粘結(jié)強(qiáng)度,從而加速了刀具的磨損。

        表2 硬質(zhì)合金刀具YT726 磨損區(qū)的化學(xué)成分(%)

        圖4 硬質(zhì)合金刀具YT726 基體元素含量的能譜分析

        圖5 硬質(zhì)合金刀具YT726 磨損區(qū)元素含量的能譜分析

        用硬質(zhì)合金刀具干車削滲碳淬硬鋼20CrMnTi 時,刀具的磨損機(jī)理除磨料磨損以外, 主要是粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。

        3 結(jié)論

        使用硬質(zhì)合金刀具YT726 加工滲碳淬硬鋼20CrMn-Ti,可以得出以下結(jié)論:

        (1)通過對硬質(zhì)合金刀具YT726 的磨損形貌分析,結(jié)果表明:刀具的前刀面發(fā)生了形態(tài)不明顯的月牙洼磨損,后刀面存在著狹長的以機(jī)械磨損為主的帶狀磨損, 刀尖部位出現(xiàn)了破碎。

        (2)對硬質(zhì)合金刀具YT726 的基體和前、后刀面磨損區(qū)進(jìn)行了元素含量的能譜分析,結(jié)果表明:刀具基體中的Co、W、C 等元素的含量有不同程度的下降,刀具前、后刀面磨損區(qū)含有來自于工件材料的Cr、Ti 、Fe、Mn 等元素,刀具的磨損機(jī)理除磨料磨損以外, 還發(fā)生了粘結(jié)磨損和擴(kuò)散遷移磨損。

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