初探鎳基高溫合金切屑走形及刀具損耗原因

來源: www.tcwpwd.live 作者:candace 發布時間:2013-11-26 18:16 論文字數:27500字
論文編號: sb201311241034429181 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本文以PCBN刀具加工鎳基高溫合金時的切屑變形和刀具的磨損為研究對象,分別討論了切削用量和刀具幾何參數對兩者的影響,并提出一種評定切屑變形的新方法。根據對切屑形貌和刀具磨損形貌的

1緒論
 

1.1本課題的研究背景及意義
作為航空、航天及船舶領域用熱端部件的材料,鎳基高溫合金以其優良的機械性能,耐腐t蟲性和熱化學穩定性能,在這些領域中占據了主導地位。所以,對材料的快速去除和精密加工等方面無疑是行業內急需解決的問題,圖1.1是鍵基高溫合金的應用情況。線基高溫合金雖然已經出現了很長一段時間,但是由于其本身優良的性能,使得對這種材料的高質量和高效率加工等方面無法順利進行⑴。新型刀具材料,比如PCBN和陶瓷等材料的出現,在提高對線基高溫合金的切削加工性上有了很大的進步[2]。但是,追求更加高效且高精密的加工方式成為現代加工業的重要任務。高速加工正是為了滿足現代加工中效率低而提出的一種加工方式,但是伴隨著高速切削的出現,切屑的形態與傳統的切屑形態又有所不同,刀具的磨損形式也很不相同。
PCBN刀具材料,作為一種新興的刀具材料,與傳統的高速鋼及現在廣泛應用的硬質合金鋼相比較,無論是在加工效率還是在加工表面質量方面都有了相當大的提高。但是,由于PCBN這種材料的價格比較昂貴,而市場是以低投入和高收益為導向,這就導致了它很難得到大力推廣。在國內,一些廠家主要將這種刀具材料用在加工的最后工序,以提高材料的成品率另外,由于擦基高溫合金切削加工過程中,塑性變形比較大、切削力很大、加工硬化現象嚴重、切削溫度高、刀具磨損嚴重等方面的特點17],不得不考慮用PCBN—次去除大部分的加工余量并保持低的表面粗植度。為此,研究PCBN這種材料的切削加工性能,在降低生產成本,提高加工效率,促進PCBN在齊通材料加工領域的廣泛應用方面,都是十分必要的。圖1.2是PCBN刀具在各個領域的應用情況,從圖中可以看出,汽車行業所占用的比率最大,占一半的量,其次是占比例為20%的重型機械和軸承齒輪行業。在航天行業的應用扣當的小,只占到百分之三,這說明對于加工航天類材料的推廣是十分必要的。
 
1.2 GH4169的切屑變形機理的研究現狀
1.2. 1兩大切削變形理論的發展
絕熱剪切理論和周期脆性斷裂理論最早是在上世紀中后期提出的,用于解釋切屑形成過程中發生剪切變形的兩種理論。經過近幾十年的發展,分別都形成了各自完整的理論體系。絕熱剪切理論最早是在切削加工鈦合金時被發現并提出的,其明顯的特點就是絕熱剪切帶的出現。研究至今,許多被加工材料都發現了同樣的切削現象一般認為加工殖性難加工材料(比如鈦合金,銳基高溫合金等)吋,鋸形切屑的形成主要是絕熱剪切現象導致的。周期脆件斷裂服論與絕熱煎切現論有著本質的不同,它認為切屑的形成是先從位于切削自由表面處形成裂紋,然后沿著剪應力最大的方向擴展,直至形成切屑。
(1)絕熱剪切理論
絕熱剪切是材料在第一變形區發生較大的相對滑移和較高應變率條件下出現的局部塑性變形現象。早期的發現主要是在侵徹穿靶、爆炸碎片和高速沖壓的研究中后來,隨著高速切削的提出以及應用,發現材料在高速切削條件下形成的切屑也發生了絕熱剪切現象。目前,普遍認為材料內部發生的突變性熱剪切失穩,是發生絕熱剪切的主要原因[161。發生絕熱剪切的銅齒形切屑的形貌如圖1.3所示。材料沿著剪切帶方向發生了較大的滑移。
 
2試驗設計與試驗步驟
 
2. 1試驗設計
2.1.1工件材料的選擇
(1)試驗用工件材料成分及力學性能
試驗所用材料為鏡基高溫合金GH4169,棒形材,尺寸為040x250 mni,含鎳量為50%到55%,基體為Ni-Cr固溶體,在1050度的條件下固溶處理所得。具體的熱處理方式是,在950攝氏度至980攝氏度溫度下加熱1h,然后油冷或水冷到720攝氏度,再保溫8h,以50攝氏度/h的速度爐冷至620°C ,空冷以后所得。這種材料與美國的Inconel718和法國的NC19FeNb材料基本相同。其中的主要成分是Ni、Fe、Cr、Nb。成分和力學性能如表2.1和表2.2所示。
 
3 PCBN切削GH4169時切屑變形分析...............21
3.1切削用量對鋸齒化程度的影響............21
3.2切削用量對切屑的鋸齒頻率影響分析............24
3.3切削用量對切屑的鋸齒步距的影響分析............26
3.3.1切削速度對鋸飩步距的影響............26
3.3.2進給量對鋸齒步距的影響............27
3.4木章小結............28
4兩種切屑變形測量方法對比及滑移角與剪切角關系研究............29
4.1剪切帶內相對滑移和滑移角測量模型............29
4.2切削速度、進給量對相對滑移和滑移角的影響............30
4.3相對滑移、滑移角表示切屑鋸齒變形的對比分析............35
4.4滑移角弓剪切角的關系............35
5 PCBN加工GH4169的刀具磨損分析............37
5.1刀具磨損的形態分析............37
5.2刀磨損機理分祈............40
5.3前刀面接觸區兩側嚴重溝槽磨損機理分析............44
5.4本章小結............48
 
結論
 
本文根據對切屑形貌和刀具磨損形貌的對比分析,討論切屑變形與刀具磨損的對應關系,得出以下結論:
(1)提出用滑移角來描述切屑鋸齒化程度的方法,并與用相對滑移來表示切屑鋸齒化程度的方法進行對比,發現隨著切削速度和進給量的增大,相對滑移隨之增大,滑移角隨之減小,切屑的鋸齒化程度隨之加劇。說明兩者都能很好地表示切屑變形程度,而不同之處在于,在測量低速下的鎳基高溫合金切屑變形程度時,用滑移角來表示變形程度比用相對滑移來表示更易實現。
(2)在切削法平面內,滑移角與剪切角有著一定的幾何關系,兩者之和可以認為是一個定值,這個值與刀具的幾何角度直接相關,因此可以通過研究滑移角的變化來分析剪切角的變化情況。
(3)切削速度、進給量對切屑的鋸齒化程度,鋸齒頻率和鋸齒步距都有一定的影響。切削速度增大,鋸齒化程度加劇,鋸齒頻率增大,鋸齒步距加大;進給量增大,會使相鄰鋸齒的裂紋擴人,所以鋸齒化程度和鋸齒步距也就增大,而對鋸齒頻率影響較小。
(4)前刀面的兩側溝槽和中間部位磨損機理不同,兩側嚴重溝槽磨損是氧化磨損,粘結磨損,機械磨損共同作用的結果,中間部位主要是粘結磨損。后刀面的磨損較輕,主要是與已加工表面擠壓劃擦,形成了機械的劃痕,而且伴隨著微崩刃的出現,并且劃痕和微崩刃有交替出現的現象。
(5)PCBN刀具的磨損形式與工件材料有關,PCBN和陶瓷刀具加工GH4169時都會發生這種磨損現象,而用PCBN和陶瓷刀具加工Crl2MoV等材料時,并未產生這種磨損現象,可以認為刀具的這種磨損現象與鎳基高溫合金的材料性能有關,與刀具材料的關系并不大。
(6)將刀具的磨損形貌和切屑的底層形貌進行對比,發現切屑底層和前刀面磨損— 區都可分為三個部分,且呈對應關系。從形貌上看,底層材料中間部分的寬度均勻而平滑,刀具磨損區域中間部位磨損較輕,且切屑底層中間部位的寬度比前刀面的溝槽中間磨損較輕的部位略窄,可以認為基本一致。
(7)位于前刀面的三處刀具磨損形態有所不同,靠近待加工表面的溝槽磨損程度比靠近已加工表面的溝槽磨損的程度大,而且主要磨損的形式也有所不同,前者出現了剝落現象,后者未發現。中間部位只是發生了粘結現象,磨損的較輕。
 
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