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              PCBN刀具切削堆焊鈷基合金的試驗研究

              關鍵詞 PCBN刀具|2020-09-22 11:07:04|來源 工具技術
              摘要 堆焊鈷基合金具有良好的耐磨性、耐高溫和耐腐蝕性,因而廣泛應用于對表面質量有特殊要求的工件中。對于一些特殊類別的零部件(如石油、鋼鐵等工業領域中的密封閥門、軋輥以及石油管道等),在其...

              堆焊鈷基合金具有良好的耐磨性、耐高溫和耐腐蝕性,因而廣泛應用于對表面質量有特殊要求的工件中。對于一些特殊類別的零部件(如石油、鋼鐵等工業領域中的密封閥門、軋輥以及石油管道等),在其生產過程中通常需采用等離子弧堆焊技術,在工件表面熔覆一層鈷基合金,以此提高工件表面性能,降低生產成本,延長零部件的使用壽命。

              堆焊鈷基合金具有優良的使用性能,但其硬度高、不均勻、導熱性差,屬于典型的難加工材料。切削加工中堆焊層的不均勻性和彌散分布的硬質點將加劇刀具磨損,甚至造成刀具破損。此外,加工過程中產生的大量切削熱使得刀具與工件接觸處極易發生化學反應,造成刀具的熱化學磨損,進一步降低刀具耐用度。

              目前對于堆焊鈷基合金的加工,通常采用的方法包括磨削和硬質合金刀具低速車削。磨削加工成本高,生產效率低,而且切削液的大量使用造成嚴重的環境污染,不符合現代生產中“綠色加工”的理念,因而并不是理想的加工方式。采用硬質合金刀具低速車削加工方式,不僅表面質量差而且效率較低,難以滿足高效高質量的加工要求。因而提出通過PCBN刀具車削代替磨削以實現堆焊鈷基合金的高效率、高質量、綠色環保的加工方法。

              本文選用聚晶立方氮化硼刀具(PCBN)對堆焊鈷基合金進行切削加工,采用4因素4水平的正交試驗方法,研究了不同的切削用量和刀具刀尖圓弧半徑對工件表面粗糙度和加工時切削力的影響規律,并采用離差分析法對其影響程度進行評估,為以車代磨加工堆焊鈷基合金的方法提供新的理論和試驗依據。

              1  試驗條件及方案

              試件基體材料采用316不銹鋼,其表面堆焊了一層司太立Co12鈷基合金粉末,其化學成分見表1。

              表1  Co12粉末化學成分(wt.%)

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              CCrSiNiFeWMnMoCo1.4029.51.453.003.008.251.001.00Bal.堆焊后的工件由基體和堆焊層組成,尺寸Φ200mm×250mm。如圖1所示,試驗的車削對象為工件的堆焊層,堆焊層厚度為5mm,硬度約為48HRC。

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              圖1  堆焊鈷基合金試件

              刀具選用DBW85牌號的PCBN刀具,其工作角度見表2。刀具倒棱參數為0.1mm×-15°,試驗方案設計見表3。

              表2  刀具工作角度

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              3  試驗方案

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              2  試驗結果及分析

              (1)切削力試驗結果及分析

              切削力對切削機理的研究具有重要意義。研究切削力與切削用量、刀尖圓弧半徑之間的關系,由試驗結果得到切削參數對切削力的影響曲線見圖2至圖5。

              由圖2可知,隨著背吃刀量的增大,切削力整體呈增加趨勢,但與背吃刀量并不成正比例關系。背吃刀量從0.1mm至0.25mm變化時,雖然背吃刀量增加了1.5倍,但對應的主切削力只增加了0.4倍,不同于傳統切削理論。

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              圖2  切削力與背吃刀量的關系曲線

              在傳統切削理論中,基于背吃刀量對切削變形及切削區散熱效果基本不產生影響這一前提,認為背吃刀量變化時,單位切削力及單位體積散熱量基本保持不變;同時,隨著背吃刀量的增大,切削層面積及散熱體積均成倍增大。因此,增大背吃刀量,切削力基本成正比例增大,切削溫度基本保持不變。

              試驗工件材料為堆焊鈷基硬質合金,其硬度高、脆性大,導熱性極差,在切削加工過程中會產生大量的切削熱,隨著背吃刀量的增大,散熱體積雖然仍成比例增大,但各處散熱效果變差。雖然刀—屑接觸寬度隨背吃刀量成比例增大,但由于材料導熱性差,切屑與前刀面之間摩擦熱僅集中在刀—屑塑性接觸區域,由切屑兩側的刀—屑彈性接觸區向外擴散的熱量基本不變,即可以認為該處散熱效果變差,刀具切削區溫度隨著背吃刀量的增大將升高,又因溫度的弱化作用,單位切削力將減小,從而造成切削力與背吃刀量的變化不成正比關系。

              由圖3可見,切削力整體隨著進給量的增大不成正比增大,即進給量增加了3倍,相應的主切削力只增加了0.7倍,其總體變化趨勢與傳統切削理論吻合,但增長幅度較小。這是因為隨著進給量增大,切削厚度成正比增加,切削變形會減??;同時由于堆焊鈷基硬質合金導熱性差,隨著進給量增大,由切屑頂層向外擴散的熱量基本不變,即該處散熱效果也變差,使切削區的溫度進一步升高。為此,隨著進給量的增大,單位切削力減小幅度較大,因而產生了上述試驗結果。

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              圖3  切削力與進給量的關系曲線

              如圖4所示,切削速度從25.1m/min至100.4m/min變化時,切削速度提高了3倍,主切削力減少了37%,即切削力隨著切削速度提高而大幅減小。

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              圖4  切削力與切削速度的關系曲線

              在傳統切削理論中,若切削過程未形成積屑瘤,隨著切削速度提高,不僅變形區的始滑移線后移使剪切角增大,而且刀—屑之間的摩擦系數減小也使剪切角增大,為此切削力隨之緩慢減小。但這一結果是在切削速度提高而產生的溫度弱化作用與應變率強化作用基本抵消的前提下得出。

              切削堆焊鈷基合金時,隨著切削速度提高,一方面剪切角的變化規律與傳統切削理論相同;另一方面因其導熱性較差,切削溫度較高,使材料的高溫弱化作用遠大于應變率的強化作用。

              圖5反映了刀尖圓弧半徑對切削力的影響??梢钥闯?,主切削力和背向力呈小幅的先減小后增大的變化趨勢,進給力無明顯變化。該試驗結果與傳統的切削理論基本吻合。

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              圖5  切削力與刀尖圓弧半徑的關系曲線

              由圖2至圖5還可以看到,在切削堆焊鈷基合金時,主切削力Fz大于背向力Fy和進給力Fx,可見該試驗結果與傳統切削理論相吻合。

              (2)表面粗糙度試驗結果及分析

              以表面粗糙度作為表面質量的衡量指標,研究切削用量和刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響,由試驗結果得到切削參數對表面粗糙度的影響曲線見圖6至圖9。

              由圖6可知,當背吃刀量較小時(ap≤0.15mm),隨著背吃刀量的增大,表面粗糙度基本穩定不變;隨著背吃刀量的逐漸增大(ap>0.15mm),表面粗糙度先增大后減小,當ap=0.2mm時達到最大值。

              當背吃刀量較小時(ap≤0.15mm),切削力較小,切削溫度較低;同時切削試驗的工藝系統剛性較好,且刀具材料為硬度高耐熱性好的PCBN。因而背吃刀量增大時,切削過程中的刀具的磨損及切削振動變化較小。所以,隨著背吃刀量的增大,已加工工件表面的粗糙度值較小,且加工過程中變化不大。

              當背吃刀量較大時(ap>0.15mm),切削力較大,切削溫度較高,切削過程中刀具的磨損及工件的振動隨著背吃刀量的增大而增加;同時因高溫弱化作用,鈷基高溫合金的塑性隨背吃刀量的增大而增大。所以,當背吃刀量ap≤0.2mm時,因刀具磨損和工件振動加劇對表面粗糙度引起的影響大于材料塑性變形增大的影響,因而表面粗糙度隨著背吃刀量的增加而逐漸增大;

              當背吃刀量ap>0.2mm時,二者作用恰好相反,刀具因磨損所產生的影響大于因高溫弱化作用產生的影響,因而隨著背吃刀量的增加工件表面粗糙度逐漸降低。

              綜上所述,在背吃刀量較大時(ap>0.15mm),隨著背吃刀量的增加,工件表面粗糙度呈先增大后減小的變化趨勢。

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              圖6  表面粗糙度與背吃刀量的關系曲線

              由圖7可見,隨著進給量增加表面粗糙度隨之增加,進給量的增加使得工件表面殘留材料高度增加,從而使粗糙度增大,與傳統的切削理論一致。

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              圖7  表面粗糙度與進給量的關系曲線

              如圖8所示,隨著刀具刀尖圓弧半徑的增加,工件表面粗糙度呈先小幅減小后明顯增大的變化趨勢,與切削力變化趨勢基本吻合。因PCBN刀具抗斷裂韌性差,切削過程中刀具微崩刃破損形式對切削力的變化很敏感,即在試驗條件下,微崩刃在刀尖圓弧半徑較小時發生的概率較小,但隨著刀尖圓弧半徑的繼續增大其發生的概率將增大。雖然工件表面的理論粗糙度隨著刀具刀尖圓弧半徑的增大有減小趨勢,但在刀尖圓弧半徑較大時,其減小幅度小于刀具微崩刃破損加劇導致粗糙度值增大的幅度,因此,隨著刀尖圓弧半徑增大,粗糙度值呈先小幅減小后明顯增大的變化趨勢。

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              圖8  表面粗糙度與刀尖圓弧半徑的關系曲線

              如圖9所示,隨著切削速度的增加,表面粗糙度先減小后增大,當切削速度達到75m/min左右時,表面粗糙度達到最小值。當切削速度v<75m/min時,若切削速度較低,因切削溫度較低,高溫弱化效應不顯著;同時由于PCBN刀具硬度高,韌性差,而工件堆焊層分布了較多的硬質點,在切削過程中會對刀具產生較大的沖擊,刀具刃口處將發生微崩刃現象,此外誤差復映效應將增大工件粗糙度值;隨著切削速度的增加,高溫弱化作用逐漸增強,使工件材料及刀具材料的塑性韌性提高,刀具微崩刃破損的概率降低,因此,粗糙度值逐漸減小。當切削速度達到75m/min左右時工件表面粗糙度值最??;當切削速度v>75m/min時,切削溫度較高,在高溫條件下,刀具前刀面的月牙洼深度和后刀面的磨損量迅速增加,使刀具的破損概率增大;此外,切削振動隨著切削速度增加隨之加劇,在高速切削條件下其對表面粗糙度的影響不可忽略。以上多種因素綜合作用導致粗糙度值又逐漸增大。

              由圖6至圖9可知,采用車削加工堆焊鈷基合金獲得的工件表面粗糙度值均較低,說明利用車削加工獲得的加工質量較好,能夠實現以車代磨。

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              圖9  表面粗糙度與切削速度的關系曲線

              3  采用離差分析法進行影響程度評估

              采用離差分析法研究各切削參數對切削力及表面粗糙度影響程度的大小。離差是指一組數據與其平均值差的平方和。離差的大小反映數據分散程度,進一步反映了試驗因子對各指標的影響程度。試驗數據見表4。

              表4  切削力與表面粗糙度試驗結果

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              1600744009106064.png

              由式(1)求出4個水平整體的平均值μ,然后分別計算每個水平對應的數據平均值IA/4、IIA/4、IIIA/4、IVA/4。公式為

              1600744046355614.png

              以μ作為基準,計算每個水平對應的數據平均值X4與基準μ的差值,然后再求差值的平方和,即可得出離差值。比較所求離差值的大小,離差值越大,則相關參數影響程度越大,計算結果見表5。

              表5  各水平離差值計算結果

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              由計算結果比較可得,背吃刀量對進給力的影響最大,進給量對背向力、主切削力、表面粗糙度的影響最大。

              4 小結

              通過正交試驗研究了DBW85立方氮化硼刀具對堆焊鈷基高溫合金精加工的切削過程,得出了各切削參數對切削力與工件表面粗糙度的影響規律。

              (1)隨著背吃刀量的增大,表面粗糙度最開始基本無變化,當達到一定值(ap>0.15mm)時,表面粗糙度隨背吃刀量的增大呈先增大后減小的趨勢;切削力呈增加趨勢,但是其增長趨勢并不成正比例關系;

              (2)隨著切削速度的提高,表面粗糙度呈先減小后增大的變化趨勢,切削力整體降低;

              (3)隨著進給量的增大,工件表面粗糙度增加;整體切削力增大,但是同樣不成正比例關系;

              (4)隨著刀尖圓弧半徑的增加,表面粗糙度隨之增加,主切削力和背向力呈小幅的先減小后增大的變化趨勢,進給力無明顯變化;

              (5)由離差分析法分析可知,背吃刀量對進給力的影響最大,進給量對背向力、主切削力、表面粗糙度的影響最大。


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