陶瓷刀具切削加工時的磨損與潤滑情況分析(一)

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tags: 陶瓷刀具切削    時間:2014-03-12 02:33:11
陶瓷刀具切削加工時的磨損與潤滑情況分析(一)簡介
    1.引言   陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優良、化學穩定性好、不易與金屬發生粘結等特點,可廣泛應用於難加工材料切削、超高速切削、高速干切削……
陶瓷刀具切削加工時的磨損與潤滑情況分析(一)正文

    1.引言


陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高溫力學性能優良、化學穩定性好、不易與金屬發生粘結等特點,可廣泛應用於難加工材料切削、超高速切削、高速干切削和硬切削等。陶瓷刀具的最佳切削速度比硬質合金刀具高3~10倍,可大幅度提高切削加工生產率。近三十年來,由於在陶瓷刀具製造工藝中實現了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制,開發了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少量金屬的添加技術,以及採用多種增韌補強機制等,使陶瓷刀具的強度、韌性、抗衝擊性能等都有了較大提高。但陶瓷刀具並不是萬能的。陶瓷刀具在切削加工過程中要承受高溫、高壓作用,不可避免地要受到不同程度的磨損或破損。已有的研究表明,每一種陶瓷刀具都有其特定的加工範圍,不同的陶瓷刀具(或同種陶瓷刀具)在加工不同工件材料時其磨損形態和刀具壽命會有很大不同,因此存在陶瓷刀具與切削對象的最佳匹配問題。對於這方面的研究國內外已有一些文獻報道,但因實驗條件和研究方法各異,不同研究者的實驗結果和研究結論也存在差異。


本文在作者已有的研究基礎上,參考國內外的相關文獻報道,對陶瓷刀具切削加工時的磨損、潤滑以及陶瓷刀具與加工對象的最佳匹配問題進行了綜合評述,以期對新型陶瓷刀具材料的研製與開發、實際加工中陶瓷刀具的選用與磨損控制等起到一定的指導和參考作用。


2.陶瓷刀具切削加工時的磨損機理


在陶瓷刀具切削加工過程中,始終存在兩個摩擦副,即前刀面與切屑間的摩擦副和后刀面與工件間的摩擦副。其中,前者影響刀具前刀面的磨損,後者影響刀具后刀面的磨損和已加工表面質量,前、后刀面的磨損均影響刀具壽命。陶瓷刀具主要用於高速切削場合,切削溫度常可高達800~1000℃(甚至更高),切削壓力也很大。因此,陶瓷刀具的磨損是機械磨損與化學磨損綜合作用的結果,其磨損機制主要包括磨料磨損、粘結磨損、化學反應、擴散磨損、氧化磨損等。已有的研究表明,陶瓷刀具的磨損與切削條件密切相關。不同的陶瓷刀具材料在不同切削條件下加工不同的工件材料時,佔主導地位的磨損機制可能有所不同。如在低速切削時,由於切削溫度較低,其磨損機理往往表現為磨粒磨損;而在高速切削時,則以高溫引起的粘著磨損、化學反應、氧化磨損和擴散磨損為主。


作者的研究表明:Al2O3基陶瓷刀具在連續切削鋼件時,其磨損機理主要為伴有微崩刃的磨料磨損和粘結磨損,而在切削鑄鐵時主要為磨料磨損。Wayne和Brandt等人通過研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718材料得出結論:在低速切削條件下,磨料磨損和粘結磨損為陶瓷刀具的主要磨損機制;而在高速切削條件下,粘結磨損、化學反應和擴散磨損為陶瓷刀具的主要磨損機制。由於Inconel718材料高溫強度高,塑性變形大,加工硬化嚴重,切削力和切削溫度均很高。當切削溫度小於900℃時,刀具前刀面以粘結磨損為主;當溫度達到1200℃時,Ni就開始向刀具中心擴散。由於Ni的擴散,一方面使刀具材料表面硬度下降,性能降低;另一方面使刀具與工件的親和性增加,粘結磨損增大。因此,用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718時必須使用切削液(含氯化石蠟的切削液效果更好)。


Casto等人通過研究用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI1040材料得出結論:刀具的磨損機理主要表現為粘結磨損和磨料磨損,而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI1040鋼時,刀具表面存在嚴重的化學反應。

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