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摘要:针对陶瓷刀具WG300 车削高温合金GH4169，设计了车削加工实验，利用扫描电镜( SEM) 图对产生的切屑的形态进行研究，得到了切削速度对切屑的影响规律，观察到随着切削速度的增加，切屑出现显著的锯齿状。该研究对陶瓷刀具加工过程中的切削速度的选择具有指导和参考意义。
关键词: 陶瓷刀具; 高温合金GH4169; SEM
第一章 绪论
1. 1 高温合金的类型及应用
高温合金的种类很多，不同基体的高温合金的物理和化学性能也不同。按照基体的组成可以将高温合金分为铁基、镍基和铁镍基。其中铁基和铁镍基都是以铁为基体。镍基高温合金的含镍量大于或等于50%，适用于工作温度高达1000℃。为了得到理想的强度和抗蠕变性能通常情况下，可以采用固溶、时效等方式。
我国六十年代发射了核弹，近几年还研制出了第四代战机，但是航空发动机的设计及制造技术还没有掌握。盘轴、机匣和叶轮都是发动机上的关键零件，这些部件高温工作区的部分都是采用镍基高温合金作为材料的。这些部件都属于典型的机构复杂、壁薄、易于变形的难加工零件。这些零件对配合表面尺寸，表面精度等技术指标要求都很高，使得这些部件的加工变得很难。想要制造出合格的零件与高温合金的切削参数、切削刀具及工艺等密不可分。因此，对于镍基高温合金切削加工的研究显得越来越重要。
1.2 陶瓷刀具的特性
陶瓷具有很高的硬度、耐磨性能以及良好的高温力学性能，与金属的亲和力小，不易与金属产生黏结，并且化学稳定性好。国外使用陶瓷刀具切削高温合金，切削速度已经达到700 m/min，其速度是硬质合金刀具的10倍。采用陶瓷刀具进行高温合金零件的粗加工，可以减少加工周期，从而提高经济效益。
目前，国内外学者对陶瓷刀具在切削高温合金过程中的切削特性、刀具磨损、切削温度、沟槽磨损、切削力及表面粗糙度进行了深入的研究。但针对GH4169 (Inconel718)的高速车削切屑依然缺乏系统的研究。笔者使用陶瓷刀具WG300对高温合金GH4169进行了高速车削实验，利用扫描电镜(SEM)图对产生的切屑的形态进行分析，研究了切削速度对切屑变形的影响，观察到了锯齿形切屑的形成。
第二章 车削试验
2. 1 GH4169的材料特性及加工特性
工件材料: GH4169高温合金。镍基高温合金GH4169晶体为面立方结构，一般经过固溶、时效或固溶+时效强化，达到使用要求。强化时析出大量细小的金属化合物Ni3Nb( γ″) 和Ni3( γ' ) ，均匀弥散在基体中。而γ″相和γ'相在相当的高温下还有很高的强度，因此抵抗变形的能力也很大。当温度达到1 200 ℃，γ″相和γ'相都会粗化，但γ″相仍是主要的强化相。如果温度继续升高，则γ″相会迅速粗化，并会部分溶解，从而导致强度明显下降。表1和表2 分别介绍了GH4169的物理力学性能和其化学成分，它的含镍量为50%～ 55% ，主要是由Fe、Cr、Nb 等元素构成的。刀具材料为美国绿叶公司生产的WG300增强陶瓷。因其高速切削时具有优秀的耐磨性和抗热震性，已经广泛运用于切削镍基合金，而且其金属切除率是硬质合金刀具的十倍。陶瓷刀具耐高温，对于硬质合金刀具，当温度达到850～1100 ℃时，其强度随着温度的上升而急剧下降，但是WG300则依然保持着平稳的变化。
表1 GH4169 的物理力学性能
Table 1 GH4169’s physical and mechanical properties
数控车削加工中心的选择对高温合金车削实验有重要的影响。这里使用的型号为MAATURN 65的数控车削中心，其主轴转速0～5000 r/min，主轴功率21kW，最大工件直径为500 mm，四轴联动，刀库容量12。
2. 2 切屑分析设备
扫描电子显微镜，简称扫描电镜( SEM) ，是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。文中采用的热场发射扫描电子显微镜( CamScan MX2600) 。该设备可以对切屑表面进行形貌分析。
2. 3 实验方案
在研究GH4169高温合金切屑时，该实验选取高于常规值的切削参数。车削参数: 背吃刀量ap=1mm，每齿进给量fz=0.1mm/r不变。车削方案: 只改变切削速度，对陶瓷刀具WG300在切削速度c 分别为150、190、250、310 、370 m/min 产生的切屑进行微观分析。
第三章 切屑形态
3. 1 切削速度对切屑的影响
在普通切削速度条件下，各种材料的变形特点在很大程度上取决于材料本身的性质，可分为连续切屑和不连续切屑两大类。一般情况下，塑性较好的材料往往产生连续切屑，而塑性较差的材料容易产生不连续切屑。对镍基高温合金，当切削速度达到高速切削后，切屑变形特点发生明显变化，从连续切屑变为不连续切屑。随着切削速度的提高，剪切变形区越来越窄，形成集中剪切滑移，最终产生单元体相互分离的节状切屑。
在高速切削高温合金的过程中，刀尖处的塑性应变较大，产生高温，首先在此区域发生热塑形性失稳。当这种热塑性失稳发展到一定阶段时，刀具开始积压即将形成节状切屑，从而形成有规律的锯齿状切屑。
传统的研究切屑的方式主要是利用光学显微镜观察切屑。随着科学技术的发展，如今透射电子显微镜和扫描电子显微镜在金属切削领域得到广泛的应用。文中对陶瓷刀具WG300切削GH4169 的切屑进行微观分析。WG300晶须增韧陶瓷刀具在c = 150 m/min时，切屑形态为带状切屑。它的内表面和外表面都相对光滑。随着切削速度的升高，观察发现，切屑的锯齿化程度在逐渐变强、扭曲。切屑表面材料的挤压也随着切削速度的增加而增强，变形后的晶粒成细长的纤维状。在c =370 m/min 时，切屑出现很明显的锯齿状。
结束语
由WG300陶瓷刀具高速车削GH4169实验，得到了切屑随着切削速度的变化规律。切屑的锯齿化程度随着车削速度的升高越来越明显，切屑依旧还是带状切屑，并未明显产生断裂。今后还要进行大量的高温合金切削试验，通过试验，需要研究陶瓷刀具的磨损机理，切削参数对切削过程的影响等。其中，铣削作为断续切削，是高温合金中的加工难点，后续还要着重进行研究。
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论文作者:于向泽
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/17
标签：切屑论文; 合金论文; 高温论文; 刀具论文; 陶瓷论文; 速度论文; 加工论文; 《防护工程》2018年第20期论文;