不同刀具車削GH4169時的切削性能對比*

王 奔，常 康，王碧玲，張亞飛，王明海

(1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136 ; 2.中國航空工業空氣動力研究院，沈陽 110034)

0 引言

高溫合金在高溫下仍具有很高的抗疲勞強度、屈服強度、抗拉強度和較好的抗腐蝕性、抗氧化性[1]。目前，在已研制的航天發動機中，高溫合金材料已經占到發動機所用材質的一半以上[2]。因此高溫合金材料也被譽為“先進發動機基石”，高溫合金在民用工業中的應用也越來越廣泛[3]。但是高溫合金的難加工特性也造成刀具磨損嚴重、刀具使用壽命低、工件表面加工質量差。因此選擇合適的刀具材料對提高高溫合金的加工性能至關重要。

國外關于加工高溫合金時刀具的研究集中于不同刀具材料對刀具壽命、切削性能的影響機理，但很少涉及PCD刀具加工高溫合金。Anthony[4]研究了陶瓷刀具、硬質合金刀具及CBN(立方氮化硼)刀具車削Inconel 718時的磨損機理及刀具壽命，結果表明CBN刀具磨損最嚴重，對刀具磨損影響最大的參數是刀具材料，其次是切削速度。Thakur[5]通過車削試驗發現普通刀具的切屑卷曲半徑隨著切削速度的增大而增大，涂層硬質合金刀具產生的切屑較長，涂層硬質合金刀具可以更有效地提高后刀面的抗磨損性能。國內的研究局限于對刀具磨損機理的分析，鮮有關于對刀具切削性能的研究。Ji[6]重新定義了PCBN刀具的磨損形式，其研究結果表明金屬基結合劑、高CBN含量的PCBN刀具更適合切削高溫合金。超細晶WC-Co硬質合金刀具的耐磨性明顯高于普通WC-Co硬質合金刀具[7]。YG6刀片具有較好的耐磨性和抗沖擊性，但其使用壽命較短，而PVD 涂層硬質合金刀具具有較高的硬度和耐磨度，可有效地延長刀具的使用壽命[8]。Wang[9]發現AlCrN涂層硬質合金刀具磨損較輕，比較適合切削鎳基高溫合金GH4169。

PCD(聚晶金剛石)作為自然界中已知最硬的物質，相對于其他刀具材料它具有高強度、低摩擦系數、導熱性能好的優勢。而在以往關于車削高溫合金時刀具的研究主要集中于CBN(立方氮化硼)、涂層硬質合金，鮮有報道PCD刀具車削GH4169時的切削性能研究。因此本文分別使用PCD、CBN、涂層硬質合金刀具車削GH4169，并通過對比刀具磨損形貌、切屑形態、表面粗糙度來確定不同材料刀具的切削性能。

1 試驗條件及試驗設計

1.1 試驗條件工件

試驗使用的工件材料為GH4169棒料，其尺寸為φ50mm×200mm。PCD(聚晶金剛石)、CBN(立方氮化硼)刀片型號為：CCGW09T304；涂層硬質合金刀片型號為：CCMT09T304。GH4169材料、刀片參數如表1、表2所示。

試驗利用CAK4085nj數控車床完成高溫合金材料的外圓車削，加切削液；利用VMX-2000C超大景深光學三維顯微鏡觀察刀具形貌；采用TR240表面粗糙度儀測量GH4169表面粗糙度。切削速度為36m/min、57m/min、86m/min；進給量f=0.12mm/r；背吃刀量ap=0.5mm。

表1 GH4169材料成分

表2 刀片參數

1.2 試驗步驟

為防止工件受到切削力作用而產生徑向變形并保證必要的安全距離，高溫合金棒料的夾持長度為95mm，加工長度為100mm。分別使用PCD(聚晶金剛石)、CBN(立方氮化硼)、涂層硬質合金刀具在每種切削參數下車削高溫合金100mm后，觀察刀具磨損形貌，測量GH4169的已加工表面粗糙度，并收集切屑。

2 刀具切削性能的分析

2.1 不同切削速度下的刀具磨損機理

三種刀具在切削速度Vc=36m/min時的前刀面、主切削刃、后刀面的磨損形貌如圖1所示。

(a) PCD前刀面 (b) PCD主切削刃 (c) PCD后刀面

(d) CBN前刀面 (e) CBN主切削刃 (f) CBN后刀面

(g) Coated carbide 前刀面 (h) Coated carbide 主切削刃 (i) Coated carbide 后刀面 圖1 切削速度Vc=36m/min時的刀具磨損形貌

從圖1可以看出:

(1)從圖1a可以看出靠近刀尖圓弧處的切削刃出現了鋸齒形的崩刃，PCD(聚晶金剛石)刀具前刀面的磨損形式主要為微崩刃；從圖1d可以看出CBN(立方氮化硼)前刀面的磨損形式主要為層狀材料剝落，且剝落的區域較大；而圖1g則表明硬質合金前刀面的磨損較小，磨損形式主要為涂層脫落及溝槽磨損。由于CBN刀具是由無數細小的CBN顆粒構成的,晶界處富集的“雜質組元”相當于一種“精細裂紋”，使得刃口部位的微觀強度不均勻[10]。當熱切屑流經前刀面時,不僅會產生高溫摩擦,且這些“精細裂紋”隨著刀具持續的磨損而擴展,這就有可能使CBN前刀面出現大面積的材料剝落。

(2)對比圖1b、圖1e、圖1h可以看出CBN刀具的主切削刃破損最為嚴重。這主要是由于CBN刀具的脆性較大在較大的切削力沖擊下，CBN刀具的主切削刃發生脆性斷裂。

(3)從圖1c可以看出PCD后刀面出現了較嚴重的犁溝磨損；而圖1f表明CBN后刀面出現嚴重的溝槽磨損；從圖1i可以看出硬質合金后刀面發生了輕微的磨損。刀具后刀面與待加工表面相對，且高溫合金含有許多硬質顆粒，這些顆粒不斷的與刀具表面摩擦，從而產生溝槽磨損。

三種刀具在切削速度Vc=57m/min時的前刀面、主切削刃、后刀面的磨損形貌如圖2所示。

從圖2可以看出:

(1)從圖2a、圖2d、圖2g可以看出三種刀具的前刀面沒有較大的磨損，但其刀尖圓弧處的切削刃相對于原始切削刃都出現了大小不一的月牙形的凹坑，其中PCD(聚晶金剛石)刀具的凹坑最大，CBN(立方氮化硼)刀具次之，硬質合金刀具最??；圖2e則表明CBN相對于其他刀具的主切削刃破損仍較嚴重。

(2)而圖2c、圖2f、圖2i表明三種刀具后刀面的磨損形式主要為磨料磨損，磨損程度為CBN > PCD > 涂層硬質合金。且三種刀具在Vc=57m/min下的后刀面破損程度比Vc=36m/min下的小。

(a) PCD前刀面 (b) PCD主切削刃 (c) PCD后刀面

(d) CBN前刀面 (e) CBN主切削刃 (f) CBN后刀面

(g) Coated carbide 前刀面 (h) Coated carbide 主切削刃 (i) Coated carbide 后刀面圖2 切削速度Vc=57m/min時的刀具磨損形貌

三種刀具在切削速度Vc=86m/min時的前刀面、主切削刃、后刀面的磨損形貌如圖3所示。

(a) PCD前刀面 (b) PCD主切削刃 (c) PCD后刀面

(d) CBN前刀面 (e) CBN主切削刃 (f) CBN后刀面

(g) Coated carbide 前刀面 (h) Coated carbide 主切削刃 (i) Coated carbide 后刀面 圖3 切削速度Vc=86m/min時的刀具磨損形貌

從圖3可知：

(1)圖3a顯示出PCD(聚晶金剛石)前刀面產生了較大的材料剝落；而圖3d表明CBN(立方氮化硼)刀尖圓弧兩側出現了溝槽磨損。這可能是由于切屑的兩側部分和刀具前刀面的接觸磨損較嚴重，且加工時材料產生塑性流動，切屑兩側邊緣的毛刺會對前刀面產生持續的沖刷和劃擦，最終導致上述的雙側溝槽磨損。而從圖3g可看出硬質合金前刀面磨損程度較輕，只是產生了涂層脫落。

(2)圖3b、圖3e、圖3h表明PCD的主切削刃磨損程度最小，硬質合金次之，CBN刀具最差。且此切削速度下的三種刀具的磨損程度相對于Vc=36m/min和Vc=57m/min時的更小。

(3)圖3c、圖3f、圖3i表明CBN后刀面的溝槽磨損最嚴重，PCD刀具的磨料磨損較輕，涂層硬質合金刀具的磨損最小。

2.2 切屑微觀形態的分析

三種刀具在不同切削速度下的切屑形態如圖4所示，所有的切屑形態均為螺旋形切屑。圖5是螺旋屑的幾何參數，圖6是三種刀具材料的螺旋屑外徑隨切削速度的變化規律。

從圖4、圖6可以看出PCD(聚晶金剛石)的切屑外徑最小且穩定在3.25mm左右,CBN(立方氮化硼)的切屑外徑則最大且上下浮動較大，而涂層硬質合金的切屑外徑介于二者之間。而且PCD的切屑直徑隨Vc的增大先增大后減小，CBN與涂層硬質合金的切屑直徑則隨Vc的增大而增大。此外PCD的螺旋屑較密集，而CBN的切屑最為松散。這是由于切屑沿刀具表面流出時，沒有受到工件或刀具的阻礙,或者受到一段時間的阻礙以后又脫離了阻礙，將形成不同形態的連續螺旋屑，切屑直徑較大時形成松散的螺旋屑；而切屑直徑較小時則形成密集的螺旋屑。

(a) Vc=36m/min

(b) Vc=57m/min

(c) Vc=86m/min 圖4 不同刀具加工的切屑形貌

圖5 螺旋形切屑的幾何參數

圖6 不同切削速度下螺旋屑的外徑

2.3 表面粗糙度的分析

已加工表面的形貌在很大程度上是刀具磨損的復映，當刀具出現磨損時，刀具缺陷將會以“復印”的形式復現在工件表面上，使工件表面出現微觀不平整的現象，從而影響工件的表面粗糙度[11]。分別在距離工件右端10mm、40mm、90mm附近各取4個點測量表面粗糙度，并求其平均值。圖7～圖9分別是Vc=36m/min、Vc=57m/min、Vc=86m/min時的工件表面粗糙度變化規律。

圖7 Vc=36m/min時的表面粗糙度

圖8 Vc=57m/min時的表面粗糙度

圖9 Vc=86m/min時的表面粗糙度

從圖7～圖9可以看出PCD(聚晶金剛石)刀具加工時的表面粗糙度隨切削速度的增大而減小，CBN(立方氮化硼)刀具加工時的表面粗糙度隨切削速度的增大而增大，涂層硬質合金加工時的工件表面粗糙度值基本穩定在1.5μm左右。因此在此實驗條件下，PCD、涂層硬質合金刀具的最佳切削速度為Vc=86m/min，CBN刀具的最佳切削速度為Vc=36m/min。

由于PCD刀具韌性較差，且在低速加工時高溫合金的變形系數較大，較大的變形抗力作用在刀具上，加劇了刀具的崩刃及振動，從而使得加工表面粗糙度很大。此外從圖1a可知Vc=36m/min時PCD刀尖圓弧部分出現了鋸齒形的崩刃，這對已加工表面造成了二次劃傷，增大了表面粗糙度。PCD在Vc=86m/min加工時的表面粗糙度在較小可能是因為隨著切削速度的增加，單位時間內的材料切除量減小，材料一定程度上的軟化以及變形系數減小，從而使得變形抗力降低，切削過程更穩定，表面粗糙度降低。CBN加工時的表面粗糙度較大與CBN刀具前刀面，后刀面出現嚴重的溝槽磨損相對應。嚴重的溝槽磨損導致大面積的材料脫落，脫落材料中的硬質顆粒刮傷加工表面而增大了表面粗糙度。涂層硬質合金加工時較小的工件表面粗糙度則與較輕的刀具磨損相對應。

3 結論

通過對車削GH4169時的表面粗糙度，刀具磨損形貌的研究，可得出以下結論：

(1)PCD刀具在Vc=36m/min時出現了鋸齒形的崩刃，PCD刀具磨損形式主要為微崩刃和犁溝磨損；CBN刀具的磨損形式主要為切削刃的脆性斷裂，前后刀面的溝槽磨損；涂層硬質合金刀具的磨損形式主要為微崩刃，涂層脫落。

(2)三種刀具所產生的切屑都為螺旋屑，PCD的螺旋屑較密集，而CBN、涂層硬質合金的切屑較為松散。

(3)涂層硬質合金加工時的表面粗糙度最小，似乎更適合加工高溫合金，而PCD與CBN刀具加工時的表面粗糙度較大，切削性能似乎較差。其中PCD、涂層硬質合金刀具的最佳切削速度為Vc=86m/min，CBN刀具的最佳切削速度為Vc=36m/min。