1 引言
粉末冶金材料由于具有良好的耐磨损、耐腐蚀、抗冲击以及自润滑性和隔音性, 在机械工程中尤其是发动机行业得到了广泛的应用。但因材料的多孔性以及微观组织中存在硬质相, 从而导致在实际生产中存在刀具磨损失效严重、加工效率极低( 切削速度仅为50~ 70m/min) 、刀尖钝化严重和加工质量不稳定等问题 , 严重制约了粉末冶金的应用范围。
陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性及良好的高温力学性能、与金属的亲和力小、不易与金属产生粘结、化学稳定性好等优点, 因而陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工或者无法加工的超硬材料, 可进行高速切削, 实现对高硬材料的“以车代磨” , 从而简化加工工艺、提高加工效率。为了解决铁基粉末冶金材料切削加工中精加工刀具的耐用度、加工质量等问题, 根据正交试验原理, 用金属陶瓷刀具、涂层刀具以及硬质合金刀具进行了高速干切削工艺对比试验, 研究了刀具耐用度、表面粗糙度与切削用量之间的关系, 分析了刀具磨损机理, 为实际生产提供了理论和实验依据。
2 刀具耐用度试验
2.1 试验方案
试验用机床: Hawk-150 数控精密车床( Cincin nati) ; 试件材料: 铁基粉末冶金( 材料的组织为灰色金属夹杂物+ 多孔结构) ; 切削方式: 干车削。根据正交试验原理, 以切削深度、切削速度以及进给速度为三因素, 每个因素取三个水平( ap = 0.08、0.12、0.16mm, f = 0.06、0.09、0.12mm/ r, 对陶瓷刀具和涂层刀具v= 160、140、120m/ min、对硬质合金刀具v=100、80、70m/min) 进行试验。刀具材料的主要性能指标和工作角度如表1、表2 所示, 刀具耐用度试验方案及结果见表3。
2.2 试验结果分析
取VB= 0.2mm 为刀具后刀面磨钝标准。由表3 可看出, 在相同切削条件下, 刀片后刀面平均磨损量VB 达到规定磨钝标准时, 陶瓷刀具的刀具耐用度优于涂层刀具, 约为涂层刀具耐用度的1.5 倍; 在相同切削深度、进给速度条件下, 涂层刀具在切削速度v = 160、140、120m/ min 时的刀具耐用度分别与硬质合金刀具在v = 100、80、70m/ min 时的刀具耐用度接近。
根据试验结果, 对三种刀具的切削数据进行回归分析, 其刀具耐用度与切削参数关系的经验公式分别为
陶瓷刀具:
涂层刀具:
硬质合金刀具:
在ap= 0.12mm、f = 0.09mm/ r 时, 双对数坐标下三种刀具的T-v 曲线如图1 所示。
由经验公式可以看出, 速度对所选用陶瓷刀具的耐用度影响最大, 切深和进给速度对其影响不大;速度对所选用涂层刀具的耐用度的影响最大, 切深次之, 进给速度影响最小; 速度对所选用硬质合金刀具的耐用度的影响最大, 进给速度次之, 切深影响最小。由图1 可看出, 在相同切削条件下, 陶瓷刀具的耐用度最优, 涂层刀具次之, 硬质合金刀具最差。
3 表面粗糙度试验
3.1 表面粗糙度试验方案
根据正交试验原理, 以切削深度、切削速度以及进给速度为三因素, 每个因素取三个水平( ap =0.10、0.15、0.20mm, f = 0.05、0.10、0.15mm/ r, v =60.3、82.9、105.5m/ min) 进行试验, 用TR240 型便携式表面粗糙度测量仪分别对陶瓷刀具和涂层刀具所加工表面的表面粗糙度Ra 值进行测量, 结果如表4所示( 每个数值点均为10 次测量结果的平均值) 。
3.2 表面粗糙度试验分析
由表4 中表面粗糙度试验数据可以看出, 所选陶瓷刀具加工表面的粗糙度值明显低于涂层刀具的加工表面粗糙度值。其原因是: 刀具材料的化学稳定性以及与工件之间的摩擦系数对加工表面有很大的影响, 所选陶瓷刀具的化学稳定性优于硬质合金刀具, 并且其与工件的亲和性及摩擦系数较小, 因而加工表面粗糙度较好。
根据试验结果, 对两种刀具的切削数据进行回归分析, 其表面粗糙度与切削参数关系的经验公式为
陶瓷刀具
涂层刀具
由经验公式可以看出, 对于陶瓷刀具的加工表面粗糙度, 切削速度和进给速度两者的影响都较明显, 切深的影响较弱一些; 而对涂层刀具的加工表面粗糙度, 切削速度对其的影响最大, 切削深度和进给速度的影响较弱一些。根据试验结果和经验公式绘制的ap= 0.15mm、v = 105.5m/min 时的R a- f 对比曲线见图2, ap= 0.15mm, f = 0.10mm/ r 时的Ra- v对比曲线见图3。
由图2、图3 可以看出: 在相同切削条件下, 涂层刀具的加工表面粗糙度高于陶瓷刀具; 两种刀具的加工表面粗糙度与进给速度、切削速度关系的变化规律基本一致。
综上所述, 在进行铁基粉末冶金零件加工时, 陶瓷刀具具有更高的刀具耐用度和更好的加工表面质量, 具有较高的性能价格比。根据刀具优化选用原则, 我们选用陶瓷刀具, 并对其磨损和破损机理进行了详细研究。图4、图5 给出了试验中出现的较为典型的陶瓷刀具磨损和破损形态。
4 陶瓷刀具磨破损机理分析
4.1 刀具磨损机理分析
由图4a 可以看出刀具的前刀面有较为明显的月牙洼磨损, 这是因为: ① 切削深度和进给量比较小, 切屑和刀具表面的接触长度小, 因此切削力和切削热都集中在切削刃附近较小的区域; ②工件中含有局部硬度很高的硬质点; ③ 陶瓷刀具导热性差以及铁基粉末冶金的多孔性结构降低了刀具和工件的散热性能, 并且在切削中形成不连续的短螺旋型和C 型切屑, 对切削刃和前刀面产生断续冲击。这样在切削力、切削热和切屑的共同作用下, 切削刃将发生软化变形和塌陷, 在切屑的作用形成刀具前刀面的月牙洼磨损。在实验中, 刀具前刀面始终与产生的切屑表面紧密接触, 切削温度较高, 工件材料中的Ti、Cr、W 等有较大化学活性的元素会向刀具产生扩散, 形成扩散磨损, 直接导致刀具材料表面硬度下降、切削性能降低、刀具与工件亲和性增加、粘结磨损增大 。
切削时, 由于铁基粉末冶金的多孔性结构, 使其在较小的面积内也存在较大的硬度波动, 同时其金相组织中含有大量的未溶合金硬质点, 加上刀具后刀面和工件之间存在强烈的摩擦, 导致后刀面产生较为严重的磨料磨损( 见图4b) 。
4.2 刀具破损机理分析
由于工件材料的多孔性结构, 在切削过程中刀尖将受到持续的冲击, 在切削载荷的持续作用下, 前刀面的月牙洼深度和宽度逐渐增大, 刃口强度降低,由于陶瓷刀具的抗冲击韧性较差, 因此刀具易产生疲劳裂纹, 从而导致切削刃微崩( 见图5a) ; 在切削过程持续的冲击下, 刀-屑或刀-工接触区的接触疲劳或热应力疲劳超过刀具材料的疲劳强度极限 使切削刃附近产生裂纹, 此种裂纹在冲击载荷作用下迅速扩展从而导致剥落现象( 见图5b) 。当剥落很小时, 被认为是磨损; 由于疲劳裂纹源距刀具表面具有一定深度, 当裂纹扩展后所形成的剥落块大于刀具的磨损限度, 一旦发生剥落, 即形成剥落破损, 造成刀具失效。
5 结论
通过陶瓷刀具和涂层刀具、硬质合金刀具切削铁基粉末冶金工件的对比试验可知: 在相同切削条件下, 陶瓷刀具的耐用度高于涂层刀具和硬质合金刀具, 更适合于铁基粉末冶金零件的切削加工; 在相同切削参数下, 因为陶瓷刀具的化学稳定性较好且与试件的摩擦系数小, 其加工表面粗糙度值小于涂层刀具。
陶瓷刀具前刀面的磨损形态主要是月牙洼磨损, 主要破损形态是前刀面剥落; 前刀面的主要磨损机理是扩散磨损和磨粒磨损, 后刀面主要磨损形态是磨粒磨损。
