TiB2基陶瓷刀具切削不锈钢时的切削性能研究

TiB2基陶瓷刀具切削不锈钢时的切削性能研究 TiB2基陶瓷刀具切削不锈钢时的切削性能 研究 TeChnO10gyand工艺与检测 TiB2基陶瓷刀具切削不锈钢时的切削性能研究 谷美林?黄传真?肖守荣? (?河北工业大学机械工程学院,天津300130; ?山东大学机械工程学院先进射流研究中心,山东济南250061) 摘要:研究了新型Till基陶瓷刀具切削奥氏体不锈钢1Crl8Ni9Ti时的切削性能. 研究发现:BT30刀具 表现出良好的切削性能.其中采用O.前角的刀具比一5.前角的刀具表现出更好 的耐磨性.刀具的 磨损形式为后刀面磨损和前刀面磨损,后刀面磨损机理为磨粒磨损,前刀面磨损 机理为扩散磨损. 关键词:TiB基陶瓷刀具不锈钢1Crl8Ni9Ti前角刀具磨损 StudyonCuttingPerformanceofTiB2MatrixCeramicToolinMachiningStainlessStee GUMeiLin? . HUANGChuanzhen? , XIAOShourong? ((~)SchoolofMechanicalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,CHN; ~)CenterforAdvancedJetEngineeringTechnologies(CaJET), SchoolofMechanicalEngineering-ShandongUniversity,ji’nan250061,CHN) Abstract:ThecuttingperformanceofTiB2matrixcompositeceramictoolincontinuousmachiningstainlesssteel 1Crl8Ni9Tihasbeenstudied.ItiSshownthatthewearresistanceabilityofBA30iSstrong.Thewearre— sistanceofthetoolwitharakeangleof0.issuperiortothatwitharakeangleof5..Thewearpattersare toolflankandrakewear,aswellasthewearmechanismoftoolflankiSabrasivewear-andthatofthe toolrakeisdiffusingwear. Keywords:TiB2MatrixCompositeCeramicTool;StainlessSteel1Crl8Ni9Ti;RakeAngle;WearResistanceofthe Tnn1 陶瓷刀具连续切削钢件时的主要失效形式有:前 刀面磨损和后刀面磨损,有时还伴有微崩刃和刀具表 面热裂;断续切削钢件时的主要失效形式为:前刀面, 后刀面和刀尖破损. 陶瓷刀具的力学性能对其磨损和破损特性有重要 影响.Evans…等在20世纪80年代就指出,陶瓷材料 的脆性是导致其磨损的主要原因,并建立了陶瓷材料 脆性断裂的磨损量与力学性能之间的关系: vt’zg/8 (E/H)?L(1) =口鬲 』r/ 式中:为体积磨损量;W为载荷;K为刀具材料断裂 韧度;H为刀具材料硬度;a为与材料无关的常数;E 参考文献 1杨晓京,傅中裕,史孝文.数控机床虚拟样机的虚拟加工实现.机床 与液压,2007,35(1):45—48 2李鹏,王太勇,李宏伟等.虚拟环境下的数控加工实时3维仿真系统 的研究与开发.制造业自动化,2004,26(8):37,41 3KennedyJ,EberbartRC.Particleswamoptimization.Proceedingsof IEEEInternationalConferenceonNeutralNetworksPerth,Australia, 1995,1942—1948 4EberhartRC,KenndyJ.AnewoptimizerusingparticleswarlTltheory. Proceedingsof6thInternationalSymposiumonMicroMachineandHu— mallScience,Nagoya,Japan,1995,39-43 国家杰出青年科学基金资助(50625517) 5何永红,齐乐华,赵宝林.双转台五轴数控机床后置处理算法研究. 制造技术与机床,2006(1):9,12 6姜桂平,王国锋,郑惠江.虚拟数控车床加工技术的研究.组合机床 与自动化加工技术,2007(1):58,60 7龙春国,史耀耀,程刚等.基于ooenGL五轴联动数控仿真系统碰撞 干涉检验实时仿真技术及算法研究.机床与液压,2006(2):72,75 (编辑李静) (收稿日期:2007—11—20) 享II绫琴蠢0..ll? 如果您想发袭鲥辍钓看德灞熏章l缭罨填入读者意觅漉瓷表中的祖应位置 ? 89? 工艺与检潮TeehnologyandTe时—— 为刀具材料弹性模量;,为切削距离. Evans_2还建立了磨粒磨损的数学表达式: = 1?(P)?,(2) 式中:?为磨粒数目;P为垂直作用在磨粒上的力. 从式(1)和(2)可以看出,刀具材料的断裂韧度和 硬度越高,其耐磨性越好. 另外,陶瓷材料的显微结构,元素组成以及切削条 件都会影响陶瓷刀具的磨损特性.常见的陶瓷刀具磨 损机理有如下几种: (1)磨粒磨损磨粒磨损可以分为软磨粒磨损和 硬磨粒磨损两大类,软磨粒磨损是指磨粒硬度低于 试样材料(刀具)表面硬度造成的磨损;硬磨粒磨损是 )表面硬度造成的磨 指磨粒硬度高于试样材料(刀具 损.TiB陶瓷刀具切削钢件时,由于TiB的硬度高于 工件中所含的其他氧化物或碳化物的硬度,刀具处于 软磨粒磨损的状态,因此,磨粒磨损主要是从刀具表面 脱落下来的磨屑在一定压力和温度下形成的.可见, 刀具材料的晶间结合强度对磨粒磨损量影响很大. (2)粘着磨损切削时,切屑,工件与前,后刀面 之间,存在很大的压力和强烈的摩擦,在两摩擦副新鲜 表面原子间吸附力的作用下,发生粘结现象.陶瓷刀 具由于强度低,脆性大以及刀具表层的缺陷,在刀具移 动过程中刀具的晶粒会被工件或切屑带走,形成粘结 磨损.由此可见,刀具材料的晶间结合强度和断裂韧 度对粘结磨损量有重要影响. (3)氧化磨损当切削温度高于刀具材料的氧化 温度时,刀具材料即发生氧化,氧化产物被切屑或工件 擦掉而形成的磨损称为氧化磨损.氧化磨损与氧化膜 的粘附强度有关,粘附强度越高,磨损越慢;反之则氧 化磨损较快. (4)扩散磨损在高温下,切屑,工件与刀具接触 过程中,双方的化学元素在固态下相互扩散,使刀具力 学性能降低,从而加剧了刀具的磨损. 在上述四种磨损机理中,磨粒磨损和粘着磨损在 常温和高温下都可能发生,而氧化磨损和扩散磨损只 有在高温下才可能发生. 本文重点研究在切削奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti 时,刀具前角和切削条件对其耐磨性的影响. 1试验 2l7HB 刀具:BT30(刀具牌号参见文献[4]) 刀具几何角度:前角y.=一.和0.,后角O/.=5., 刃倾角A.=一5.,主偏角K,=45.,倒棱宽度b,.=0.2 mm,倒棱角y..=20.,刀尖圆弧半径y=0.2mm 切削状态:干式切削 2试验结果 2.1切削用量对切削性能的影响 图1是在进给量厂:0.1mrn/r,切深=0.2mm 的切削条件下,不同切削速度对刀具后刀面磨损量的 影响. 姜 是 薰 图1切削速度对刀具后刀面磨损量的影响 由图可见,在低速切削条件下,刀具的耐磨性明显 比高速切削条件下好,低速切削4001TI后,刀具后刀面 的磨损量仍然小于0.4mm,没有达到磨钝标准;而在 高速切削条件下,切削距离为300m时,刀具的后刀面 磨损量就达到磨钝标准0.4mm,如果继续切削,刀具 后刀面磨损量急剧增大,不能进行正常切削. 2.2刀具前角对切削性能的影响 图2是BT30刀具在不同切削速度下切削 1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢, 切削距离为2001TI时,刀具毒,, 前角对后刀面磨损量的影一 响.由图可见,刀具采用0.孽,, 前角时后刀面磨损量明显比晨 采用一5.前角时其后刀面磨2811O切削速度/ (m/rain) 损量小,在采用较高的切削图2BT30刀具加工1cr18Ni9Ti .童的零稔譬前角对后刀面磨损为显着.由此可见在加工不 挚,差 锈钢时,刀具宜采用O.前角. 蟹衰切削试验是在cA64o车床上完成的,试3刀具磨损形貌及其机理验条件如 下: ………,,.…一 工件:奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti,硬度为199,图3是BT30刀具在 =110rn/min=0.1mrn/r, ? 90? a.=0.2mm条件下,干式切削1Crl8Ni9Ti不锈钢时刀 尖形貌.从图中可以看出,刀具的主要失效形式为:后 刀面磨损.当刀具前角为0.时,后刀面磨损量小;而 当刀具前角为一5.时,后刀面磨损严重,刀尖和前刀面 有大片脱落现象,并有明显的撕裂现象. (a)0.前角(b)一5.前角 图3BT30刀具高速切削1Cr18Ni9Ti不锈钢时刀具磨损形貌 TeChn0Iogyand工艺与检测 造成高速切削时刀具的磨损量明显比低速切削时要 大.由此可见,用BT30刀具切削奥氏体不锈钢 1Crl8Ni9Ti时,刀具前刀面的磨损机理为扩散磨损. 刀具采用负前角切削时,切屑对刀具的挤压力会 增大J,同时使切削温度增高,这样就会加剧刀具和 工件材料之间的元素扩散,造成刀尖和前刀面破损,如 图4a和b所示;而当刀具采用0.前角时,切屑对刀具 的挤压力会大大减小,使刀具前刀面靠近刀尖部位所 受的切向应力减小,这样就会缓解刀具前刀面和刀尖 的破损失效. 4结语 在连续切削奥氏体不锈钢1Crl8Ni9Ti时,BT30 刀具表现出良好的切削性能.其中采用0.前角的刀 具比一5.前角的刀具表现出更好的耐磨性.刀具的磨 图47J具前角为一5.时前,后7J面的磨损形貌 图4是BT30刀具在=110m/min厂=0.1mm/损形式为后刀面磨损和前刀面磨损,后刀面磨损机理 r,a=0.2mm的切削条件下,刀具前角为一5.时,刀为磨粒磨损,前刀面磨损机理为扩散磨损. 具前刀面和后刀面的磨损形貌.从图中可以看出,前参考文献 刀面有粘结物(图a和b),而后刀面的主要磨损机理1A?G?Evans,B?P?Marshall?WearmechanisminceramiCS?Proc,of 为层状脱落和磨粒磨损(图c).int,conf,Fu”.”..i.”w.ofMaterials,Pitts- 奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的相对可切削性为2. : . 98 R 0 . :439 l. - haw 45 . 2 Qi一.i.solidani.l.dag.i 0.4,属难加工材料.首先,材料的韧度高,延伸率高,brittl..olidI.obs..Ansl.i.dImpli.ati0..Act.Meta1. 导致切削温度高,而且切削过程中切屑不容易折断,会1976(24):939—956 挤压已加工表面,影响已加工表面质量;其次材料加工3R?C?D?Richarden?Theweal”ofmetalsbyhardabrasives?Wear. 硬化严重,在加工过程中第二次走刀时,工件表面的硬(.):291 度比第一次走刀要高出1.42倍,导致切削力增霎陶瓷刀具及切削性能研究博士学位论 大,使刀具容易破损.切削不锈钢1Crl8Ni9Ti时,5姚水清. 陶瓷刀具的磨损,破损机理和应用研究.应用技术研究, BT30刀具中处于晶间的粘结相Ni会向工件材料中扩2002(1):4,6 散,在切削热和切削力的作用下扩散会加剧,所以在切(编辑蔡云生) 削过程中,由于刀具材料中Ni的扩散,会导致刀具材(收稿日期:2007—11—21) 量结蠡薹姗看法请祷文章纂号】|【如图4c.而且随切削速度增高,切削温度的升高,扩……一一,一………一”,一一一,一 散加剧,切削过程中刀具材料的脱落也会加剧,这样就 ? 9?