隨著我國國防工業(yè)、航空航天的迅速發(fā)展，高溫合金、鈦合金等難加工材料在這些領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。高溫合金是在600~1200℃高溫、保持優(yōu)良力學(xué)性能的條件下依然可以長時(shí)間工作的材料，并且可以承受復(fù)雜的應(yīng)力。該材料具有良好的機(jī)械疲勞和熱疲勞性能，也具有良好的塑性和沖擊韌性。但是高溫合金屬于難加工材料，在切削加工過程中若條件選擇不當(dāng)，易出現(xiàn)刀具磨損過快、加工質(zhì)量較差等問題[1]。由于具有良好的切削穩(wěn)定性，晶須增韌陶瓷刀片在高溫合金的切削中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是作為切削高溫合金的一種新型刀具，其切削機(jī)理還未得到充分闡述。為此，本文通過切削機(jī)理的研究，得出了陶瓷刀具切削高溫合金的*工藝條件。
　　
　　高溫合金和陶瓷刀具的材料屬性
　　
　　高溫合金主要分為鐵基高溫合金、鈷基高溫合金和鎳基高溫合金，其中以鎳基高溫合金的應(yīng)用。鎳基高溫合金材料的主要成分為鎳，以GH4169為例，其鎳的含量為50%~55%，其余主要元素有Fe、Cr、Nb等[2]。
　　
　　現(xiàn)在切削高溫合金的刀具材料多為涂層和非涂層硬質(zhì)合金，但是存在較多問題，比如刀具磨損嚴(yán)重[3]、一般切削速度低于100mm/min[4]。陶瓷刀具磨損能力較強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好，尤其在1200~1400℃，硬度仍然能達(dá)到80HRA[5]，其抗磨損的能力相當(dāng)，抗彎強(qiáng)度較強(qiáng)，而價(jià)格相對(duì)較低，陶瓷刀具的性價(jià)比更高些。高溫合金對(duì)刀具的磨損主要表現(xiàn)為月牙洼磨損[6]，陶瓷刀具的抗月牙洼磨損的能力較強(qiáng)。
　　
　　陶瓷刀片車削高溫合金試驗(yàn)系統(tǒng)
　　
　　本研究車削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。車床型號(hào)為CA6140，切削力的測(cè)量采用Kistler9275B三向壓電式測(cè)力儀，表面粗糙度的測(cè)量采用MITUTOYOSV-3000測(cè)量?jī)x。
　　　　工件材料高溫合號(hào)為GH4169，刀具為美國綠葉公司型號(hào)為RNGN120700S-WG-300的陶瓷圓刀片，如圖2所示。
　　　　為了降低切削溫度、延長刀具壽命、改善潤滑條件[7]，本試驗(yàn)采用微量潤滑切削（MQL）輔助系統(tǒng)，設(shè)備如圖3所示。
　　　　試驗(yàn)方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
　　
　　本文通過高溫合金車削單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，對(duì)切削力、表面粗糙度以及刀具的磨損進(jìn)行了研究。
　　
　　1車削GH4169單因素試驗(yàn)研究
　　
　　首*行車削GH4169切削參數(shù)的單因素試驗(yàn)，對(duì)其切削機(jī)理進(jìn)行研究，試驗(yàn)的切削速度為162m/min、170m/min、215m/min、272m/min，切削深度為0.15mm、0.25m/mm、0.30mm、0.35mm，進(jìn)給量為0.05mm/r、0.08mm/r、0.14mm/r、0.18mm/r。
　　
　　（1）切削速度對(duì)切削力及表面粗糙度的影響。
　　
　　圖4為切削速度對(duì)切削力的影響，當(dāng)切削速度增加時(shí)，切削力首先減小；隨著切削速度的進(jìn)一步增大，切削力達(dá)到一定的值后開始增大。由于當(dāng)切削速度較小時(shí)，切削區(qū)域充分變形，所以此時(shí)切削力較大；當(dāng)切削速度增加時(shí)，切削區(qū)域未發(fā)生變形的時(shí)前切削刃就會(huì)通過，所以切削力降低；當(dāng)切削速度進(jìn)一步增加時(shí)，必然會(huì)引起刀具-工件系統(tǒng)的振動(dòng)的增加，切削的穩(wěn)定性降低，所以切削力增加。表面粗糙度隨著切削速度的增加而增加，如圖5所示，因?yàn)楫?dāng)切削速度增加時(shí)，振動(dòng)對(duì)表面粗糙度的影響。同時(shí)，隨著切削速度的增加剪切滑移變成了剪切撕裂，這兩個(gè)因素使表面粗糙度值急劇增加。
　　
　?。?）切削深度對(duì)切削力及表面粗糙度的影響。
　　
　　圖6和圖7為切削深度對(duì)切削力和表面粗糙度影響曲線，此種陶瓷刀具是負(fù)前角的，并且切削刃形式為負(fù)倒棱，切削加工本身是剪切滑移過程，所以在切削的時(shí)候，即將被加工的金屬有一部分與負(fù)倒棱平面相接觸，由于高溫合金屬于塑性材料，這部分金屬產(chǎn)生了分流，一部分金屬隨著切屑流出，另一部分停留在被加工的工件表面，產(chǎn)生對(duì)刀具的抗力作用，而且表面質(zhì)量不好，表面粗糙度較高。當(dāng)切削深度較小時(shí)，被分流的金屬層與切屑的質(zhì)量比較大，切屑帶走的金屬較少，所以切削力較大，表面粗糙度較差；當(dāng)切削深度加大時(shí)，切屑帶走的金屬相對(duì)增多，切削力會(huì)有下降的趨勢(shì)，表面質(zhì)量提高。但是當(dāng)切削深度達(dá)到一定值的時(shí)候，切削力就不再減小了，因?yàn)榻饘俚娜コ窟^大時(shí)，軸向切削力就會(huì)明顯增加，導(dǎo)致表面質(zhì)量變差。
　　
　?。?）進(jìn)給量對(duì)切削力及表面粗糙度的影響
　　
　　圖8和圖9是進(jìn)給量對(duì)切削力和表面粗糙度的影響。進(jìn)給量的變化對(duì)切削力的影響不大，這是由于進(jìn)給量的增加時(shí)，切削厚度、切削寬度、切削面積和金屬去除率變化不大。但是進(jìn)給量增大時(shí)，增加了工件相鄰的表面切削紋理的距離，使切削加工的表面變粗糙，固表面粗糙度值變大。

　　2 車削GH4169正交試驗(yàn)研究

　　采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來確定車削GH4169的*切削參數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

　　根據(jù)正交試驗(yàn)得到的試驗(yàn)結(jié)果為：對(duì)于切削力而言，切削速度與切削深度影響較大，而進(jìn)給量的影響較小；對(duì)表面粗糙度而言，與切削3要素都有比較明顯的關(guān)系。綜合考慮切削力和表面粗糙度，并且?guī)缀螁我蛩卦囼?yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到WG300陶瓷圓刀片精車GH4169 的*切削參數(shù)。即切削速度變化范圍為250～290mm/min，切削深度變化范圍為0.25～ 0.30mm，進(jìn)給量變化范圍為0.08～0.11mm/r。

　　3 刀具磨損及破損形式分析

　　利用KEYENCE 超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-600，觀察WG-300陶瓷圓刀片的形態(tài)，研究陶瓷刀片的失效形式。

　　陶瓷刀具切削高溫合金時(shí)的徑向切削力很大，高溫合金易粘刀，導(dǎo)致刀具的后刀面粘刀現(xiàn)象十分明顯，由于高溫合金的導(dǎo)熱性差，切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱不能較好的從刀具中散出，不僅導(dǎo)致后刀面的磨損非常嚴(yán)重，而且使易使刀具后刀面的材料脫落。圖10中A和B所示的是未使用過的陶瓷刀片,C為后刀面的磨損形態(tài)，E為后刀面刀具材料成塊脫落形態(tài)。后刀面與工件的摩擦過大，而又不能從后刀面散出大量熱量，使切削刃的溫度升高。而且負(fù)倒棱上不斷有金屬劃過，易產(chǎn)生切削刃從前刀面處崩刃，如圖10中D所示；或者摩擦溫度升高而使切削刃溫度過高，而在前刀面上出現(xiàn)灼燒的痕跡，如圖10中F所示。

　　結(jié)束語

　?。?）通過對(duì)WG-300陶瓷圓刀片車削高溫合金GH4169的試驗(yàn)研究，得到了切削參數(shù)對(duì)切削力及表面粗糙度的影響。隨切削速度的增加切削力先降低再升高，表面粗糙度呈升高趨勢(shì)；隨著切削深度增加切削力降低，而表面粗糙度降低后增加；進(jìn)給量增加，對(duì)切削力的變化不明顯，而表面粗糙度急劇增大。

　?。?）通過分析正交試驗(yàn)以及單因素試驗(yàn)的結(jié)果，得出了WG-300陶瓷圓刀片精車GH4169 *的切削參數(shù)范圍，即切削速度變化范圍為250~290mm/min，切削深度變化范圍為0.25~0.30mm，進(jìn)給量變化范圍為0.08~0.11mm/r。

　?。?）WG-300陶瓷圓刀片高速車削GH4169 的磨損及破損形式是后刀面磨損及刀具材料脫落、切削刃崩刃、前刀面燒傷等。

　　（來源：哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司）