AI2O3刀具车削NbC／Fe粉末冶金复合材料时的磨损.pdf

工艺与检测 T e C h n 0 l0 g y a n d T AI 2 O 3 刀具车削 Nb C ／ F e粉末冶金 复合材料时的磨损 张 良 ① 屈盛官① 王光宏① 韩立发② ①华南理工大学机械与汽车工程学院， 广东 广州 5 1 0 6 4 0 ； ②东莞理工学院机械工程学院， 广东 东莞 5 2 3 8 0 8 摘 要 通过对 A l O ／ W ， T i C陶瓷刀片车削 N b C铁基粉末冶金复合材料 的试验研究 ， 探讨了刀具的主 要磨损形式 ， 分析了复合材料中增强相含量和材料密度以及切削参数等因素对刀具磨损的影响。结 果表明 陶瓷刀具不会发生严重的磨粒磨损。 刀具的高脆性及硬质颗粒的剧烈刮擦、 冲撞引起的切削 刃微崩和剥落磨损是刀具磨损的主要原因； 工件材料增强相含量越高， 对刀具的磨损越大； 在相对密 度大于 9 O ． 3 ％的范围内。 材料密度对刀具磨损的影响不太显著 ， 当密度进一步降低 时， 刀具磨损率 迅速下降； 切削速度越高、 背吃刀量越大、 进给量越小， 刀具磨损越快 ； 此外 ， 切削速度对刀具磨损的 影响最显著， 而进给量对刀具磨损的影响最小。 关键词 粉末冶金复合材料刀具车削磨损 中图分类号 T G5 0 6 ． 2 文献标识码 A W e a r o f AI 2 03 t o o l o n t u r n i n g Nb C ／F e P ／ M c o mp o s i t e ZHANG Li a n g ① ， Q U S h e n g g u a n ①， WA N G G u a n g h o n g ①，H A N L i f a ② S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c hn o l o g y，Gua n g z h o u 5 1 0 6 4 0，CHN； S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g 。 D o n g g u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， D o n g g u a n 5 2 3 8 0 8 ， C HN J Ab s t r a c t Ma j o r w e a r f o r m s o f c u t t i n g t o o l w a s d i s c u s s e d b y e x p e r i m e n t s t u d y o f A 1 2 O 3 c e r a mi c t o o l s t u r n i n g N b C ／ F e P ／M c o mp o s i t e，i n flu e n c e o f r e i n f o r c e me n t c o n t e n t ，ma t e r i a l d e n s i t y，c u t t i n g pa r a me t e r a n d o t he r f a c t o r s o n t o o l we a r wa s a n a l y z e d ． Re s u l t s h o ws t h a t s e v e r e a b r a s i v e we a r d o e s n t a p p e a r a t c e r a mi c t o o l s ．Mi c r o c o l l a p s e a n d s pa l l i n g we a r c a u s e d b y hi g h b r i t t l e n e s s o f t o o l ，s e v e r e s c r a t c h i n g a n d c o l l i d e we r e t h e ma i n r e a s o n o f t o o l we a r ． Hi g h e r t h e r e i n f o r c e me n t p ha s e c o n t e n t o f wo r k p i e e e，g r e a t e r t h e we a r o n t he t o o 1 ．At t h e r e l a t i v e d e n s i t y r a n g e o f g r e a t e r t h a n 9 0． 3 ％ ，t he ma t e r i a l de n s i t y o f t h e t o o l we a r wa s n o t s i g n i fic a n t ．W h e n t h e d e ns i t y f u r t h e r d e c r e a s e d，t he t o o l we a r r a t e d e c r e a s e d r a p i d l y ．Th e h i g h e r t h e c u t t i n g s p e e d，T h e l a r g e r c u t t i n g b a c k d e p t h ．T h e s ma l l e r t h e f e e d r a t e ，t h e f a s t e r t h e t o o l we a r ．I n a d d i t i o n，t he c u t t i ng s p e e d h a d t h e mo s t s i g n i f i c a n t i n fl ue n c e o n t h e t o o l we a r，b ut t he f e e d r a t e di d t h e l e a s t i mp a c t ． Ke ywo r d sP／M Co mp o s i t e；To o l ；T ur n i n g；W e a r 粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体的 节能、 节材、 高效 、 近终成形 、 少 无 污染 的先进制造 技术 ， 在材料制备和零件制造中具有不可替代的地位 和作用。颗粒增强铁基粉末冶金复合材料的耐磨性更 好 、 耐高温性更强 、 制造 的零件重量较大， 在汽车及其 发动机中的应用更加广泛⋯ 。 虽然少切削和无切削是粉末冶金零件的主要优点 8 6 之一 ， 但大部分发动机结构零件在制造过程 中不能一 次直接达到所需 的净形状 、 精度及表面粗糙度的要求 ， 只能是“ 接近最终形状” ， 仍需要再进行一定的机械加 工。而切削加工是获得高精度、 小表面粗糙度值和低 加工成本的零件 的基本方法 。和铸件与锻件相 比， 这 种加工需要从粉末冶金零件上去除的材料虽然非常 少 ， 但是却是典型的难加工材料 的加工。由于陶瓷刀 等 I lu 具具有很高的硬度 ， 耐磨性 能 良好 ， 与金属 的亲 和力 小 ， 并且化学稳定性好。因此 ， 陶瓷刀具可以加工传统 刀具难 以加工或者根本不能加工 的超硬材料 ， 其最佳 切削速度可 以比硬质合金刀具提高 3～1 0倍 ， 而且刀 具寿命 长 ， 因而 大大提 高 了切 削加 工效率 。近 年 来 ， 由于控制了原料 的纯度和晶粒尺寸 ， 采用多种增韧 机制进行增韧补强 ， 使得 陶瓷刀具 的抗弯强度 、 断裂韧 性和抗冲击性能都有大幅度提高， 应用范围也 日益广 泛 ， 可用于干切削 、 高速切削和硬切削等 J 。 1 试验方案 试验用工件材料为 N b C颗粒增强 铁基粉末冶金 复合材料 ， 成分 w t ． ％ 为 0 ． 6 0 ． 8 C 1 ． 5～ 2 ． 5 C u 1 ． 5～ 2 ． 5 N i 0 ． 8～ 1 ． 2 Mo 5～ 1 5 N b C F e 余量 ， 成形方法为温压成形。由于 N b C增强铁基粉 末冶金复合材料为高耐磨性 的难加工材料 ， 从 刀具材 料 的硬度和耐磨 性能方面考虑 ， 可采用 C B N 立方氮 化硼 等超硬刀具材料进行加工 。但 C B N不仅价格昂 贵 ， 而且其本身脆性大 、 易断裂 ， 如果使用不 当很容 易 损坏刀具 。因此 ， 考虑加工 的经济性 ， 试验用刀具选择 A 1 O 基陶瓷刀片 ， 基本成分为 A 1 O ， ／ W， T i C 。陶瓷 刀具的结构型式为可转位式 ， 几何参数 为 前角 一 5 。 、 后角 5 。 、 主偏角4 5 。 、 副偏角4 5 。 、 刃倾角一 5 。 、 刀尖圆弧 半径 0 ． 8 m m， 负倒棱参数 宽度 0 ． 1 m m、 前角 一 2 0 。 。 精加工试验在 C 6 1 3 2 A1 及 C M6 1 4 0精密机床上进 行 ， 切削方式为干式车削 ， 采用 L E O 1 5 3 0 V P型扫描电 镜观察刀片的磨损形貌 ， 用万 能工具显微镜测量后刀 面最大磨损值 V B ,n 2 试验 结果与分析 2 ． 1 刀具的磨损 精车铁基粉末冶金复合材料时， A 1 O 。 基陶瓷刀具 的典型磨损形貌如图 1 所示。 图 1 a为精车含 1 0 w t ． ％N b C的复合材料时刀具后 刀面磨损的微观形貌。由图可见 ， 后刀面磨损带沿切 削速度方向分布着众 多深浅不 同的沟痕 ， 表现 出典型 的磨粒磨损形貌 ； 切削时 ， 除 N b C外 ， 烧结材料 中大量 硬质点的高温硬度有 的比陶瓷材料的还要 高 ， 就像磨 料一样 ， 对刀具后刀面形成持续不断 的“ 微切削” 。由 于 A 1 O 、 T i C的硬度与 N b C大体相当甚至略高， 且试 样 中 N b C尺寸较小 、 含量不高 ， 切削过程中刀具 不可 能过多地被增强相反切削 ， 因而陶瓷刀具不会发生严 重的磨料磨损 ， 缓慢的磨粒磨损进程中， 伴随其他更为 主要 的磨损方式 。 t J j ‘ u 。 0 l T e C h n 0 10 g y a n d T e s f 工艺与检测 V 4 8 m／ mi n ， ， 0 ．0 8 mm／ r ， a 0 ． 1 m m ， t 1 n - i i n， 1 O％NbC a a 后刀面磨粒磨损 6 0m／ mi n ， f O ． 2 ram／ r ， q ， O ． 1 1T I iT I ， t 0 ． 5mi n． 1 O％ Nb C b 切 削刃上的剥落 和微崩刃 图 1 陶瓷刀具前 后刀面 的磨 损形貌 图 1 b为切削相同材料时整个切削刃的磨损形貌 。 由图可见 ， 沿切削刃密布 的因划擦形成 的沟痕 间能清 楚地看到陶瓷颗粒团脆性剥落后 留下 的凹坑。分析其 产生 的原 因， 认为刀具 中的 A 1 O 、 WC 、 T i C陶瓷颗粒 团在经受来 自复合材料 中的硬质增强相所进行的“ 微 切削” 过程中， 被 冲撞 、 碾压而成片地脱落后形成 ， 表 明刀具在磨粒磨损过程中伴 随着剥落和微崩刃。由于 复合材料不可避免地存在气孑 L 、 夹杂、 硬质点等各种类 型的缺陷 ， 其微观组织不均匀 ， 精车时形成剪切型或挤 裂型切屑 ， 刀屑接触长度小 ， 使前刀面所受的压力和温 度全部集中在刀尖 ， 因而刀尖所受 的机械冲击 和热 冲 击剧烈 ； 另一方面 ， 陶瓷刀尖是 由无数细小的陶瓷颗粒 构成 的， 晶界处富集 的“ 杂质组元” 相当于一种 “ 精细 裂纹” ， 大大降低了晶界强度 ， 而且存在不均匀 的内应 力 ， 使刃 口部位 的微观强度也不均 匀 J 。在刀尖表 面被 N b C颗粒刮擦 、 冲撞和产生振动 的过程 中， 磨粒 磨损沟痕两边容易形成微小裂纹 ， 裂纹形核和扩展时 ， 引起 陶瓷颗粒团进一步剥落产生微崩刃 。当剥落和微 崩刃程度轻微时， 可视作磨损 ； 但当刀具产生 的振动冲 击过大或微崩刃产生的裂纹扩展到一定 程度 时， 将会 引起切削刃大面积崩刃或碎断， 引起刀具早期失效 。 2 ． 2 刀具磨损影响因素的分析 2 ． 2 ． 1 工件材料 的影响 1 增强相含量的影响 图 2给出了 N b C质量分数对 A 1 O 基陶瓷刀具后 刀面磨损量 馏 ⋯的影响曲线。由图可见 ， 材料 中 N b C 的含量对刀具磨损的影响很大 ， 随增强相质量分数 m f 的增加 ， 刀具磨损率显著上升。例如 ， 切削 m f 5 ％的 8 7 工艺与检测 T e C h n 0 10 g y a n d T e s f 复合材料时， V B ⋯ 0 ． 6 m m 时的刀具寿命 达到 1 3 ． 5 rai n ， 但 当 m f 1 5 ％时， 刀具寿命迅速降低到 6 ra i n左 右 。N b C含量越高 ， 对刀具后刀面的研磨和刮擦作用 也越强 ， 刀具的磨损越严重。文献 [ 6 8 ] 在切 削铝基 复合材料时得出了相似 的结论。因此， 上述结论对复 合材料的切削加工具有普遍意义 ， 而不管材料 的制备 方式及基体的属性如何。 t ／ min 5 5 8 m／ mi n ， f 0 ． 0 8 mm／ r ， 0 ． 2 mm，A 1 2 O 3 ／ w， T i c 陶瓷刀具 纹 、 碎裂和脱落现象加剧⋯J ， 切屑断裂强度降低 ， 对切 削刃的机械和热冲击作用减弱 ， 使刀具磨损率降低 。 在工件材料相对密度较 小时 ， 由于孔 隙较 多， 而 N b C颗粒又具有很高 的硬度 ， 车削过程 中易受刀刃的 挤压 、 撞击而移位 、 破碎甚至脱落 ， 产生 了 N b C颗粒对 刀具的研磨及犁削作用 ； 当相对密度进一步减小后 ， 微 孔隙的大量增加使基体材料硬度下降 ， 精车时颗粒容 易在切削区随基体变形 ， 也可以在切削力的作用下将 N b C颗粒压进孔隙或 已加工 的工件表面中， 使刀具切 1 6 I l ‘2 o．8 O4 0．0 0 图2 增强相含量对刀具磨损的影响 2 材料密度 的影响 通常 ， 粉末冶金材料的多孔结构会 引起刀具寿命 1 - 2 r 的降低 。对采用 温压 工艺制备的铁基粉末冶金 复 合材料来讲 ， 尽管其组织结构更致密 ， 材料 中的孔隙仍 不可避免。图 3是不同密度的复合材料对 A 1 0 基 陶 瓷刀具后刀面磨损量 馏⋯ 的影响。 1 2 l 0 ‘9 ＼ l O ． 6 O ． 3 O． O ■ 91 8 ％ ■ d s 9 0 3 ％ ／ 口 d s 8 8 5 ％ ／ ． 一 ● ■一 1 舶一 f 3 4m i n ， 6． 8ra i n f 13 6m i n r ／ mi n 5 8 m／ min ， f ； 0 ．0 8 mm ／ r ， 0 ． 2 mm ， 1 0 ％ N b C ， A l O d W ， T i C 陶 瓷刀 具 图3 材料相对密度对刀具磨损的影响 由图 3可见 ， 在相对 密度 大于 9 0 ． 3 ％ 的范 围内， 材料密度对刀具磨损的影 响不太显著 ， 然而当密度进 一 步减小后， 刀具磨损率迅速下降。分析相对密度较 高时密度对刀具磨损影 响不显著的原因， 可能由以下 几方面所造成 一方面 ， 材料密度减小后 ， 材料 的孔隙 率上升， 孔隙的存在降低了材料的热传导率 ， 使切 削温度升高， 将加剧刀具的磨损； 另一方面， 随烧结体 密度的降低 ， 材料 中孔隙边缘物质产生的应力集 中、 裂 l 0 。8 璺 o ．4 0 ． O l - 6 1 2 I 0 - 8 O 4 0 ．0 8 1 2 l 6 | | r mn f o． 0 8 m m／ r ， 0 - 2 mm， 1 0 ％N b C a 不 同切 削速度下 的 a x f 曲线 0 4 8 1 2 1 6 t ／ mi n 4 8m／ mi n ， 0 ． 2 mm， 1 0 ％N b C b 不同进给量 下的 一 油 线 0 4 8 1 2 1 6 t ／ mi n 5 4 8 m／ rai n ， f 0 ． 0 8 mm／ r ， 1 0 ％N b C c 不同背吃刀量下的 a x 。 f 曲线 图4 切削参数对陶瓷刀具磨损的影响 削时直接接触 N b C的几率减小 ； 同时， 孔隙还可以容 1 0 O 0 O l＼ 留切屑表面的硬质剥落物和磨粒 ， 从而减少 了磨粒 的数量 ， 降低 了刀具的磨损速度 。因此 ， 当密度进一步 减小后 ， 刀具磨损显著减弱 。 2 ． 2 ． 2 切削参数的影响 图 4给 出了采 用 不 同 的切 削参 数精 车含量 为 l O w t ． ％N b C的复合材料时， 切削速度 、 进给量 、 背 吃刀量 a 。 对 A 1 0 基 陶瓷刀具后刀 面磨 损量 馏 的 影响关系曲线 。 试验 表 明， 切 削速 度 和背 吃刀 量 a ，， 增加 时 ， 馏 迅速增 加 ； 进给量 f 降低 时， 馏 ⋯逐 渐增加。但 不 同切 削参数对刀具磨损的影 响程度并不相 同， 的 影响相当显著 ， 例如 当 由 4 8 m ／ mi n增加到 1 3 6 m ／ m i n时 ， 实验所示 的精车条件下 陶瓷刀具不到 4 m i n就 达到剧烈磨损 V B 0 ． 6 IT I m ； 而进给量 f 对刀具磨 损有较小影响 ， 这是 由 N b C ／ F e粉末 冶金复合材料 的 特殊性质所决定 。 产生上述现象的原因在 于精车过程 中， 受增强颗 粒 的影 响， 陶瓷刀具在正常磨损状态下伴随着微崩刃 、 剥落等破损形式 。由物理定 律可知 ， 运动 物体 的动能 E 及 冲量 ， 可表示如下 E mV 2 c／ 2 1 ，m 一mL 2 可见 ， 硬质颗粒 的动能 、 冲量 与切削速度 有密 切的关系。切削速度愈高， 刀具遭受硬质颗粒 的冲击 程度越剧烈 ， 由此产生 的较大机械应力和热应力使陶 瓷刀刃上的微裂纹 、 孔洞加速成核和扩展 ， 加剧 了切削 刃的剥落及崩碎 。因此 ， 切削铁基烧结合金时 ， 为避免 刀具过快磨损 ， 要控制适宜的切削速度 。 与车削传统的单相材料不同， 进给量．厂 降低时刀 具磨损率上升 ， 不利 于提高刀具耐用度。这是 由于在 其它切削参数不变的条件下 越小 ， 切削相 同体积材 料时刀具滑 过的路程越 长， 受 N b C颗粒 刮擦机会愈 多 ； 此外 越小 ， 切削厚度 a a f s i n K r 越薄 ， 加工表 面对后刀面的摩擦 、 碾压作用越严重。 3结论 1 车削颗粒增强铁基粉末冶金复合材料时 ， 增 T e c h n 0 10 g y a n d T e s t 艺与检测 强相含量越高， 对刀具 的磨损越大。在相对密度大于 9 0 ． 3 ％的范 围内， 材料密度对刀具磨损的影响不太显 著 ， 然而当密度进一步减小时 ， 刀具磨损率迅速下降。 2 切 削参 数 的选择 与刀具 磨损率有 密切 的关 系 ， 切削速度越高 ， 背吃刀量越大 ， 进给量越小 ， 刀具磨 损越快 ； 此外 ， 切削速度对刀具磨损 的影 响最显著 ， 而 进给量对刀具磨损 的影响最小。 3 陶瓷刀具不会发生严重 的磨粒磨损 ， 刀具的 高脆性及硬质颗粒 的剧烈刮擦 、 冲撞 引起 的切削刃微 崩和剥落磨损是刀具磨损的主要原因。 参考文献 [ 1 ] 李元元 ， 肖志瑜 ， 倪东 惠， 等．温压成 形技术 的研究 进展 [ J ] ．华南 理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 2 ，3 0 1 1 1 5 2 0 ． [ 2 ] Ai X i n g ，L i Z h a o q i a n ，D e n g J i a n x i n ．D e v e l o p m e n t a n d p r e s p e c t i v e o f a d v a n c e d c e r a mi c c u t t i n g t o o l ma t e r i a l s [ J ] ．K e y E n g i n e e r i n g Ma t e ri a l s ， 1 9 9 5，1 0 8 1 1 05 3 6 6． [ 3 ] 艾兴， 等．高速切削加工技术[ M] ．北京 国防工业出版社， 2 0 0 3 ． [ 4] 艾兴 ， 萧虹． 陶 瓷刀具 的切 削加 工技术 [ M] ．北京 机械工 业 出版 社 ，1 9 8 8 ． [ 5 ] 苏 洛拉得泽 ． 切 削刀具 的强度和 耐磨性 [ M] ．艾兴 ， 等译 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 6 ] I b r a h i m C ifi c i ， Me h me t T u r k e r ．E v a l u a t i o n o f t o o l w e a r w h e n m a c h i n i n g S i C p r e i n f o r c e d A 1 - 2 0 1 4 a l l o y ma t ri x c o m p o s i t e s[ J ] ．Ma t e ri a l s a n d D e s i g n ， 2 0 0 4， 2 5 3 2 5 1 - 2 5 5 ． [ 7 ] 韩荣第， 姚洪权， 严春华， 等．S i C p ／ 2 0 2 4 A 1 复合材料切削力与刀具 磨损的试验研究[ J ] ．复合材料学报 ， 1 9 9 7，1 4 3 7 1 7 5 ． [ 8 ] L i X P， S e a h W K H ．T o o l w e a l “ a c c e l e r a t io n i n r e l a t i o n t o w o r k p i e c e r e - i n f o r c e m e n t p e r c e n t a g e i n c u t t i n g o f me t a l m a t ri x c o m p o s it e s [ J ] ． We a r ， 2 0 0 1 ， 2 4 7 2 1 6 1 1 7 1 ． [ 9] 朱从容 ， 王魄， 王春涛 ．粉末冶金零件的车削加工 [ J ] ． 机械工程 师 ， 2 0 0 3 7 2 5 - 2 7 ． [ 1 0 ] B o n e t t i G ．G e a r s f o r d e m a n d i n g a p p l i c a t i o n s a c o m p a ri s o n b e t w e e n c a s t ir o n， w r o u g h t s t e e l s a n d P ／ M s t e e l s[ J ] ．S A E T r a n s ． ， 2 0 0 0 一 叭 一 0 4 0 5 ． [ 1 1 ] 肖志瑜．高性能温压铁基 粉末冶 金材料 的制备 、 成 形及其 应用 的 研究 [ D] ． 广州 华南理工大学 ， 2 0 0 1 ． [ 1 2 ] Z h a n g J Y， Y u Q X，P a n g S Q．S t u d y o n t h e ma c h i n i n g te c h n o l o g y o f c o m p o s i t e ma t e r i als[ J ] ．M a t e ri a l s S c i e n c e F o r u m，2 0 0 4， 4 7 1 ／ 4 7 2 8 7 6-8 8 0． 编辑谭弘颖 收稿日 期 2 0 1 1 0 5 1 o 文章编号 1 1 1 0 2 5 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 书讯 ‘ 机械绘图与识图技巧和范例孟冠军， 王静编著 邮购价格 3 9元 本书根据国内高等学校工程图学教育 的发展现状， 吸取近年来图学教育改革和教学实践的成功经验撰写而成。全书分为 7 章， 内容包括 点、 线 、 面的投影； 立体 、 截交线和相贯线 ； 组合体； 机件的表达方法； 标准件和常用件 ； 零件图； 装配图。本书通过大量 的实例 ， 采用视图与立体图对照的方法， 从识图的基本方法人手， 分析了识图的过程与技巧， 有助于提高读者的识图和解题能力。 来款请寄 北京市朝阳区望京路4号， 机床杂志社收， 邮编 1 0 0 1 0 2 。 一