陶瓷刀具干切削等温淬火球铁(ADI)的磨损机理研究
第卷第期摩擦学学报
年月
陶瓷刀具干切削等温淬火球铁
的磨损机理研究
郭旭红芮延年朱圣领董桂岩
苏州大学机电工程学院江苏苏州
摘要采用陶瓷刀具和硬质合金刀具对等温淬火球墨铸铁以下简称材料进行干式精车切削试验采用带有射线能谱分析的扫描电子显微镜观察刀具磨损表面形貌用能谱仪对刀具磨损微区和工件表面成分进行分析用射线衍射仪对刀具材料和切屑等试样进行物相分析研究陶瓷刀具磨损形态及其磨损机理结果表明刀具磨损的主要形式为磨粒磨损粘着磨损扩散磨损及微崩和脱落材料中含有微量和元素在较高速度下切削材料时刀具与工件之间的亲和性增加而导致粘着磨损在刀具前刀面平均切削温度大于以上时材料中的元素和扩散到刀面刀具中的元素和扩散到材料表面从而加剧刀具的磨损切削后材料表面出现的相及切屑中的相等高硬度化合物颗粒是造成刀具磨粒磨损的主要原因
关键词等温淬火球墨铸铁陶瓷刀具磨损机理刀具寿命
中图分类号文献标识码文章编号
等温淬火球墨铸铁
以下简称具备许多优良可靠的机械性能能够最大程度地发挥球墨铸铁的潜在能力其制造技术引起各国材料工作者和铸造工程界的广泛重视目前国内各生产厂家生产出的材料的材质相差较大尚未有统一的国家标准采用传统的加工方法和刀具加工时其加工性能和锻钢相当刀具磨损严重使用寿命较短属于较难加工材料在较低的切削速度下车削加工时会产生积屑瘤文献指出材料的机械加工有大难题一是材料的硬度很高二是在切削过程中材料的微观组织会发生明显的变化到目前为止国内外学者采用陶瓷刀具加工淬硬钢不锈钢钛合金镍基合金和冷硬铸铁等难加工材料时刀具磨损及其机理等方面的研究成果较多而有关利用陶瓷刀具加工材料时其磨损性能和机理等研究成果很少
鉴于此本文作者基于切削磨损试验对磨损表面形貌进行微观分析研究了不同切削速度下陶瓷刀具干式车削时的磨损形态及其机理期望为材料的推广应用提供实验依据
实验部分
材料制备及性能
试验材料采用经过等温淬火处理的由中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所提供其成分为以质量分数计
抗拉强度
屈服强度延伸率冲击韧性
硬度球墨铸铁为尺寸
的圆柱形试样先经保温达到奥氏体化然后在硝酸槽中于下等温
后空冷基体组织为下贝氏体
试验方法
试验用车床型号为采用机夹不重磨陶瓷刀片进行切削试验并用硬质合金作为对比刀具材料陶瓷刀具复合陶瓷的刀片由瑞典公司制造型号
其尺寸为刀片装夹后刀具的几何参数为
刀尖圆弧半径负倒棱
基金项目苏州大学青年基金资助项目
收稿日期修回日期联系人郭旭红
作者简介郭旭红男年生教授硕士生导师目前主要从事切削加工技术研究
硬质合金刀具的牌号为装夹后刀具的几何参数分别为
切削参数按照精加工选取切削速度分别选用
以及背吃刀量进给速率
刀具磨钝标准取后刀面磨损值
切削方式为干式切削
用自然热电偶法测量刀具前刀面平均切削温度用倍工具显微镜测量刀具主后刀面磨损量值随切削时间和切削速度的变化规律并观察前后刀面的磨损形态切削试验结束后用带有射线能谱分析的型扫描电子显微镜
观察刀具磨损表面形貌用
型能谱仪对刀具磨损微区和工件表面成分进行分析用型射线衍射仪对刀具工件和切屑等试样进行物相分析
结果与分析
后刀面的耐磨性
用陶瓷刀具干切削进行后刀面磨损试验其结果见图可见随着切削速度增加刀具磨
图切削时后刀面的磨损曲线
损速度加快对同一切削速度随着切削时间增加刀具后刀面磨损不断加大不同切削速度下刀具后刀面的磨损曲线形状也不同在时刀具磨损平缓磨损曲线基本符合典型的刀具后刀面磨损曲线图在时刀具磨损很快磨损曲线相对陡直而当时刀具磨损和磨损曲线的陡直程度介于和之间刀具使用寿命随着切削速度增大依次减少其中
时的刀具寿命分别是和的
倍和倍在给定的试验条件下切削速度增大倍刀具寿命缩短约左右因此用陶瓷刀具干切削时切削速度仍然是影响刀具寿命的重要因素
图示出了时种刀具切削
图和切削时后刀面磨损曲线的对比图
时后刀面磨损量可见刀具寿命为
刀具寿命为刀具寿命是
的倍在试验中当切削速度调至时的刀具寿命大约只有因此就刀具寿命而言干切削比具有明显的优势且切削速度越高刀具的优势越明显这是由于刀具具有高硬度其耐磨性和热震性均优于刀具加之刀具与材料之间的摩擦系数小切削过程中相互间亲和能力低化学性能稳定更适合在较高温度下切削加工较高硬度的材料
刀具的磨损形态
图和图示出了切削速度分别为
和时刀具主后刀面和前刀面的磨损表面形貌照片可见在以上切削速度下刀具前后刀面均出现磨损且磨损区出现磨粒磨损粘着磨损和扩散磨损特征在切削刃附近有明显的微崩特征
不同切削速度下前刀面和后刀面磨损区的磨损形态也不尽相同如时后刀面上的陶瓷材料出现较大面积脱落和微崩磨损区边缘磨痕较明显耕犁沟槽没有完全覆盖刀面磨损区平稳的磨粒磨损特征不明显见图前刀面月牙洼区域有小部分粘着见图随着切削速度不断提高后刀面磨损区域的陶瓷材料没有较大面积脱落和产生较深凹坑但切削刃附近有明显微崩耕犁沟槽的峰
摩擦学学报第卷
图陶瓷刀具干切削时主后刀面的
磨损表面形貌照片
谷和间距较均匀球形沟槽深度基本不变沿主切削刃测量出的平均间距约显示出较平稳的磨粒磨损特征图和时前刀面月牙洼区域没有明显粘着图
时前刀面月牙洼区域有明显的粘着和扩散特征见图和
刀具的磨损机理
图和图分别示出了切屑试样和材料试
图陶瓷刀具干切削时前刀面的
磨损形貌照片
样的图谱可以看出在切屑试样的图谱中存在衍射峰较高的相在切削后的材料中出现衍射峰较高的相因此切削材料时刀具产生磨粒磨损的原因是由于材料
第期郭旭红等陶瓷刀具干切削等温淬火球铁的磨损机理研究
图切屑试样的的图谱
图材料切削后表面的图谱
中含有类似于和的高硬度化合物颗粒加之材料本身的强度和硬度较高且铸件材料中含有硬度较高的杂质工件中这些高硬度颗粒及杂质在法向载荷作用下被压入刀屑接触区在切削过程中通过高硬度颗粒的犁沟作用使刀具表面剪切犁皱和切削从而在刀具表面产生沟槽磨粒磨损是造成刀具磨损的主要原因
另外在的条件下切削时形成崩碎切屑刀屑接触长度很短切削力集中在切削刃附近而材料的强度和硬度较高单位面积上的切削力和锻钢相当由于切削面积小单位面积上承受的切削抗力较大刀具的刀尖处很容易引起崩刃这是刀具切削材料时刀具磨损的另一个原因崩刃的大小主要取决于单位切削抗力在切削速度较低时切削变形系数较大相对中高速时的单位切削抗力较高
崩刃程度也较大见图和图另一方面从文献可知在低速下干切削材料时会产生积屑瘤在切削力作用下一旦积屑瘤脱落会使刀具表面材料脱落和崩刃进一步加剧刀具磨损随着切削速度提高切削过程趋于平稳微崩和脱落相对减弱见图和图
图示出切削前和切削后材料试样表面元
图材料切削前后表面元素组成的图谱
素组成的图谱被测元素序号大于在试验过程中采用自然热电偶法测量出此时的刀具前刀面平均切削温度为可见切削后出现了元素
且元素的峰值有所增加说明刀具中和相在切削过程中分解后元素和
扩散到材料表面和切屑中图示出磨损后刀具主后刀面点和前刀面月牙洼底部点的图谱见图和图可见切削后材料中的元素和扩散到刀面由于切削时温度较高刀具表面始终与具有较高化学活性的新鲜表面接触两摩擦面间容易发生化学元素的相互扩散扩散削弱了刀具材料的力学性能加剧了刀具的磨损比较图和可见前刀面的扩散程度比后刀面大这是由于基陶瓷刀具的导热系数较低而在本试验中采用负前角和负倒棱
的刀具切削材料时切削热大
摩擦学学报第卷
图切削后刀具表面的图谱
量集中在倒棱附近加剧了前刀面的扩散倾向另外材料中含有微量的元素和在较高速度下切削材料时和与刀具中的元素和之间存在一定的亲和力使刀具和工件的亲和性增加导致粘着磨损参见图和图此外扩散又能够促进刀具与切屑的粘着亲和从而进一步加剧刀具的粘着磨损
结论
陶瓷刀具和硬质合金刀具干切削等温淬火球墨铸铁时切削速度是影响刀具寿命的主要因素就刀具寿命而言干切削比具有明显优势且切削速度越高优势越明显
陶瓷刀具干切削过程中的主要磨损形式为磨粒磨损粘着磨损扩散磨损以及微崩和脱落
当刀具前刀面平均切削温度低于时刀具磨损的主要形式为磨粒磨损微崩以及轻微的粘着磨损当切削温度高于以上时刀具磨损的主要机理是磨粒磨损扩散磨损和粘着磨损
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摩擦学学报第卷
陶瓷刀具干切削等温淬火球铁(ADI)的磨损机理研究
作者：郭旭红， 芮延年， 朱圣领， 董桂岩， GUO Xu-hong， RUI Yan-nian， ZHU Sheng-ling ， DONG Gui-yan
作者单位：苏州大学,机电工程学院,江苏,苏州,215021
刊名：
摩擦学学报
英文刊名：TRIBOLOGY
年，卷(期)：2006,26(1)
被引用次数：7次
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