1绪论
1.1本课题的研究背景及意义
作为航空、航天及船舶领域用热端部件的材料,镍基高温合金以其优良的机械性能,耐腐t虫性和热化学稳定性能,在这些领域中占据了主导地位。所以,对材料的快速去除和精密加工等方面无疑是行业内急需解决的问题,图1.1是键基高温合金的应用情况。線基高温合金虽然已经出现了很长一段时间,但是由于其本身优良的性能,使得对这种材料的高质量和高效率加工等方面无法顺利进行⑴。新型刀具材料,比如PCBN和陶瓷等材料的出现,在提高对線基高温合金的切削加工性上有了很大的进步[2]。但是,追求更加高效且高精密的加工方式成为现代加工业的重要任务。高速加工正是为了满足现代加工中效率低而提出的一种加工方式,但是伴随着高速切削的出现,切屑的形态与传统的切屑形态又有所不同,刀具的磨损形式也很不相同。
PCBN刀具材料,作为一种新兴的刀具材料,与传统的高速钢及现在广泛应用的硬质合金钢相比较,无论是在加工效率还是在加工表面质量方面都有了相当大的提高。但是,由于PCBN这种材料的价格比较昂贵,而市场是以低投入和高收益为导向,这就导致了它很难得到大力推广。在国内,一些厂家主要将这种刀具材料用在加工的最后工序,以提高材料的成品率另外,由于擦基高温合金切削加工过程中,塑性变形比较大、切削力很大、加工硬化现象严重、切削温度高、刀具磨损严重等方面的特点17],不得不考虑用PCBN—次去除大部分的加工余量并保持低的表面粗植度。为此,研究PCBN这种材料的切削加工性能,在降低生产成本,提高加工效率,促进PCBN在齊通材料加工领域的广泛应用方面,都是十分必要的。图1.2是PCBN刀具在各个领域的应用情况,从图中可以看出,汽车行业所占用的比率最大,占一半的量,其次是占比例为20%的重型机械和轴承齿轮行业。在航天行业的应用扣当的小,只占到百分之三,这说明对于加工航天类材料的推广是十分必要的。
1.2 GH4169的切屑变形机理的研究现状
1.2. 1两大切削变形理论的发展
绝热剪切理论和周期脆性断裂理论最早是在上世纪中后期提出的,用于解释切屑形成过程中发生剪切变形的两种理论。经过近几十年的发展,分别都形成了各自完整的理论体系。绝热剪切理论最早是在切削加工钛合金时被发现并提出的,其明显的特点就是绝热剪切带的出现。研究至今,许多被加工材料都发现了同样的切削现象一般认为加工殖性难加工材料(比如钛合金,锐基高温合金等)吋,锯形切屑的形成主要是绝热剪切现象导致的。周期脆件断裂服论与绝热煎切现论有着本质的不同,它认为切屑的形成是先从位于切削自由表面处形成裂纹,然后沿着剪应力最大的方向扩展，直至形成切屑。
(1)绝热剪切理论
绝热剪切是材料在第一变形区发生较大的相对滑移和较高应变率条件下出现的局部塑性变形现象。早期的发现主要是在侵彻穿靶、爆炸碎片和高速冲压的研究中后来,随着高速切削的提出以及应用,发现材料在高速切削条件下形成的切屑也发生了绝热剪切现象。目前,普遍认为材料内部发生的突变性热剪切失稳,是发生绝热剪切的主要原因[161。发生绝热剪切的铜齿形切屑的形貌如图1.3所示。材料沿着剪切带方向发生了较大的滑移。
2试验设计与试验步驟
2. 1试验设计
2.1.1工件材料的选择
(1)试验用工件材料成分及力学性能
试验所用材料为镜基高温合金GH4169,棒形材,尺寸为040x250 mni,含镍量为50%到55%,基体为Ni-Cr固溶体,在1050度的条件下固溶处理所得。具体的热处理方式是,在950摄氏度至980摄氏度温度下加热1h,然后油冷或水冷到720摄氏度,再保温8h,以50摄氏度/h的速度炉冷至620°C ,空冷以后所得。这种材料与美国的Inconel718和法国的NC19FeNb材料基本相同。其中的主要成分是Ni、Fe、Cr、Nb。成分和力学性能如表2.1和表2.2所示。
3 PCBN切削GH4169时切屑变形分析...............21
3.1切削用量对锯齿化程度的影响............21
3.2切削用量对切屑的锯齿频率影响分析............24
3.3切削用量对切屑的锯齿步距的影响分析............26
3.3.1切削速度对锯饨步距的影响............26
3.3.2进给量对锯齿步距的影响............27
3.4木章小结............28
4两种切屑变形测量方法对比及滑移角与剪切角关系研究............29
4.1剪切带内相对滑移和滑移角测量模型............29
4.2切削速度、进给量对相对滑移和滑移角的影响............30
4.3相对滑移、滑移角表示切屑锯齿变形的对比分析............35
4.4滑移角弓剪切角的关系............35
5 PCBN加工GH4169的刀具磨损分析............37
5.1刀具磨损的形态分析............37
5.2刀磨损机理分祈............40
5.3前刀面接触区两侧严重沟槽磨损机理分析............44
5.4本章小结............48
结论
本文根据对切屑形貌和刀具磨损形貌的对比分析,讨论切屑变形与刀具磨损的对应关系,得出以下结论:
(1)提出用滑移角来描述切屑锯齿化程度的方法,并与用相对滑移来表示切屑锯齿化程度的方法进行对比,发现随着切削速度和进给量的增大,相对滑移随之增大,滑移角随之减小,切屑的锯齿化程度随之加剧。说明两者都能很好地表示切屑变形程度,而不同之处在于,在测量低速下的镍基高温合金切屑变形程度时,用滑移角来表示变形程度比用相对滑移来表示更易实现。
(2)在切削法平面内,滑移角与剪切角有着一定的几何关系,两者之和可以认为是一个定值,这个值与刀具的几何角度直接相关,因此可以通过研究滑移角的变化来分析剪切角的变化情况。
(3)切削速度、进给量对切屑的锯齿化程度,锯齿频率和锯齿步距都有一定的影响。切削速度增大,锯齿化程度加剧,锯齿频率增大,锯齿步距加大;进给量增大,会使相邻锯齿的裂纹扩人,所以锯齿化程度和锯齿步距也就增大,而对锯齿频率影响较小。
(4)前刀面的两侧沟槽和中间部位磨损机理不同,两侧严重沟槽磨损是氧化磨损,粘结磨损,机械磨损共同作用的结果,中间部位主要是粘结磨损。后刀面的磨损较轻,主要是与已加工表面挤压划擦,形成了机械的划痕,而且伴随着微崩刃的出现,并且划痕和微崩刃有交替出现的现象。
(5)PCBN刀具的磨损形式与工件材料有关,PCBN和陶瓷刀具加工GH4169时都会发生这种磨损现象,而用PCBN和陶瓷刀具加工Crl2MoV等材料时,并未产生这种磨损现象,可以认为刀具的这种磨损现象与镍基高温合金的材料性能有关,与刀具材料的关系并不大。
(6)将刀具的磨损形貌和切屑的底层形貌进行对比,发现切屑底层和前刀面磨损— 区都可分为三个部分,且呈对应关系。从形貌上看,底层材料中间部分的宽度均匀而平滑,刀具磨损区域中间部位磨损较轻,且切屑底层中间部位的宽度比前刀面的沟槽中间磨损较轻的部位略窄,可以认为基本一致。
(7)位于前刀面的三处刀具磨损形态有所不同,靠近待加工表面的沟槽磨损程度比靠近已加工表面的沟槽磨损的程度大,而且主要磨损的形式也有所不同,前者出现了剥落现象,后者未发现。中间部位只是发生了粘结现象,磨损的较轻。
参考文献：
[1]何宁.难加工材料高效切削理论与应用研究[D], 1996.
[2]王秀杰.超硬材料刀具PCBN的性能及磨损机理[J].科技信息,2009,(1).
[3]Rahim EA, Sasahara H. Application of Minimum Quantity Lubrication when DrillingNickel-Based Superalloy at High Cutting Speed [J]. Progress of Machining Technology,2009,407-408: 612-615.
[4]Qiao Y,Ai X,Liu ZQ,et al. Machinability Investigation in High Speed Turning ofPowder Metallurgy Nickel-based Superalloy with Sialon Ceramic Inserts[J].Manufacturing Engineering and Automation I, Pts 1-3, 2011, 139-141: 805-808.
[5]周明虎.PCBN刀具的磨损弓最佳切削速度的研究[J].工具技术,2010,44(11).
[6]邓福铭.超硬刀具制造技术及应用研究进展:proceedings of the工业金刚石,[C].2005.
[7]李刘合.用于加工Inconel718的切削刀具发展现状[J].工具技术,2010,44(5).
[8]华红艳.M外PCBN切削刀具应用技术[J].机械工程师,2001,(03):24-26.
[9]Batra RC. EFFECT OF MATERIAL PARAMETERS ON THE INITIATION AND GROWTH OF ADIABATICSHEAR BANDS[J]. International Journal of Solids and Structures, 1987,23 (10):1435-1446.
[10]Ye GG, Xue SF, Jiang MQ, et al. Modeling periodic adiabatic shear band evolutionduring high speed machining Ti_6Al-4V alloy[J]. International Journal ofPlasticity, 2013,40: 39-55.