高硬再制造表面強(qiáng)化層的加熱切削研究

吳志遠(yuǎn)，胡振峰，巴國(guó)召，姚巨坤

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

基于堆焊、電鍍和熱噴涂等表面成形技術(shù)對(duì)失效零件進(jìn)行修復(fù)的再制造工藝是我國(guó)再制造的特色工藝手段之一［1-2］。但這些加法加工手段所形成的尺寸精度和表面粗糙度一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到零件圖所規(guī)定的質(zhì)量要求，合格的再制造零件仍需要經(jīng)過(guò)一定的機(jī)械加工。再制造表面強(qiáng)化層普遍具有的高硬度，使得加工過(guò)程中刀具打刀現(xiàn)象嚴(yán)重，一些高硬材料甚至無(wú)法進(jìn)行切削［3-9］。筆者嘗試采用勻質(zhì)難加工材料中較為成熟的加熱切削方法［10-11］對(duì)高硬再制造表面強(qiáng)化層進(jìn)行切削，探討該工藝的應(yīng)用效果及一般規(guī)律。

1 試驗(yàn)條件

設(shè)備:CA6240車(chē)床、砂輪機(jī)、氧乙炔裝置、紅外線測(cè)溫儀 ST-677。

刀具:硬質(zhì)合金YG610、立方氮化硼(CBN)、氮化硅陶瓷刀具。

試件:堆焊表層材料，硬度為HRC60，外形尺寸為φ50 mm×176 mm。

2 常溫切削試驗(yàn)

采用各種試驗(yàn)參數(shù)組合對(duì)硬度為HRC60的堆焊層進(jìn)行常溫切削試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中各種刀具破損嚴(yán)重，切削里程最多達(dá)到20～30 mm。圖1為試驗(yàn)中3種刀具的破損情況。

圖1 常溫切削硬度為HRC60堆焊層時(shí)打刀情況(10×)

3 加熱切削試驗(yàn)

為了解決高硬堆焊材料的加工問(wèn)題，筆者嘗試采用加熱切削的方法進(jìn)行探索。具體試驗(yàn)方法如下:采用氧乙炔火焰對(duì)試件進(jìn)行預(yù)熱，并采用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)試件表面溫度，當(dāng)溫度接近正交試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)溫度時(shí)進(jìn)行切削試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)用測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)控并通過(guò)調(diào)整火焰與試件的距離來(lái)控制試件溫度，如圖2所示。

圖2 加熱切削工況圖

3.1 硬質(zhì)合金YG610對(duì)堆焊層加熱切削試驗(yàn)

3.1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用4因素3水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，4因素包括切削3要素(切削速度v、進(jìn)給量f、切削深度ap)和加熱溫度，它們是影響刀具應(yīng)用效果優(yōu)劣的主要因素。試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用傳統(tǒng)的刀具后刀面磨損量VB值來(lái)衡量。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1所示。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)最優(yōu)方案的確定。依據(jù)切削過(guò)程中刀具VB值越小則刀具切削能力越強(qiáng)的原則，從表1中可得出最優(yōu)的水平組合是A1B1C3D1，即加熱溫度為400℃、切削速度為39 m/min、進(jìn)給量為0.24 mm/r、切削深度為1 mm時(shí)，刀具VB值達(dá)到最小。

2)因素的主次順序。從極差大小可知:本試驗(yàn)的主次順序?yàn)锽、A、C、D，即切削速度、表面溫度、進(jìn)給量、切削深度對(duì)刀具耐用度的影響逐漸減小。其中切削速度的影響最大，刀具VB值隨著切削速度的增大而急劇下降;切削深度雖然對(duì)刀具耐用度有所影響，但影響最小;進(jìn)給量的影響也非常小;表面溫度的影響居中。因此，在本切削試驗(yàn)中，通過(guò)提高切削深度來(lái)減小刀具VB值是較為有利的。

表1 HRC60堆焊層沖擊表面正交試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

3)刀具切削因素影響實(shí)質(zhì)分析。圖3為YG610硬質(zhì)合金刀具的切削效應(yīng)曲線。由圖3可以看出:表面溫度、切削速度、進(jìn)給量、切削深度對(duì)刀具切削里程的影響都是單調(diào)的;其中，進(jìn)給量隨著取值的增大，刀具的VB值減小，而其他因素隨著取值的增大，刀具VB值呈增大趨勢(shì)。

圖3 YG610硬質(zhì)合金刀具切削效應(yīng)曲線圖

對(duì)各試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析還可以發(fā)現(xiàn):對(duì)切削溫度影響最大的切削速度和表面加熱溫度也是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的2個(gè)參數(shù)。這說(shuō)明加熱切削中對(duì)切削區(qū)溫度的控制是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)結(jié)果中，表面加熱溫度為400℃和切削速度為39 m/min的最佳值都是參數(shù)中最低的選項(xiàng)。由于硬質(zhì)合金的紅硬性?xún)H有800～1 000℃，遠(yuǎn)低于陶瓷刀具和立方氮化硼的紅硬性，由此可以推斷:加熱切削條件下，切削熱和加熱熱量的疊加不應(yīng)超過(guò)硬質(zhì)合金的最大承受能力，否則將引起刀具的加速磨損。

3.2 氮化硅陶瓷刀具對(duì)堆焊層加熱切削試驗(yàn)

3.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

采用與硬質(zhì)合金YG610相同的試驗(yàn)條件及評(píng)價(jià)方法，對(duì)氮化硅陶瓷刀具進(jìn)行加熱切削正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)最優(yōu)方案的確定。從表2可知:應(yīng)用氮化硅陶瓷刀具在加熱切削過(guò)程中最佳的工藝參數(shù)為A2B3C1D2，即加熱溫度為 500℃、切削速度為88 m/min、進(jìn)給量為0.08 mm/r、切削深度為2 mm時(shí)，刀具VB值達(dá)到最小。

2)因素的主次順序。從極差大小可知本試驗(yàn)的主次順序?yàn)锽、C、D、A，即切削速度、進(jìn)給量、切削深度、表面溫度對(duì)刀具耐用度的影響逐漸減小。其中切削速度的影響最大，刀具VB值隨著切削速度的增大而急劇增加，刀具切削能力急劇下降;表面溫度雖然對(duì)刀具耐用度有所影響，但影響最小;切削深度和進(jìn)給量的影響居中。

表2 HRC60堆焊層沖擊表面正交試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

3)刀具切削因素影響實(shí)質(zhì)分析。陶瓷刀具在加熱切削的正交試驗(yàn)中都產(chǎn)生了較大的磨損，其最小的VB值為0.88 mm，大大超過(guò)了經(jīng)濟(jì)切削所能承受的刀具磨損速度。因此，該種刀具不適宜用作高硬材料加熱切削。圖4為陶瓷刀具切削效應(yīng)曲線，可以看出:表面加熱溫度和切削速度這2個(gè)對(duì)切削區(qū)溫度影響最大的因素，它們?nèi)≈档奶岣卟⒉粫?huì)引起刀具加速磨損，而且隨著切削速度的提高，刀具磨損還呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此，可以認(rèn)為陶瓷刀具較高的紅硬性對(duì)加熱切削過(guò)程是十分有利的。

圖4 陶瓷刀具切削效應(yīng)曲線

圖5為加熱切削時(shí)氮化硅陶瓷刀具的破損形貌，可以看出:刀具在常溫切削條件下的宏觀破壞性崩刃在加熱切削條件下轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｄp，刀具失效模式發(fā)生了根本性的改變。本試驗(yàn)中，陶瓷刀具之所以不能得到很好的應(yīng)用效果，其主要原因是加熱工藝條件下試件所產(chǎn)生的沖擊力仍高于陶瓷刀具所能承受的范圍。

圖5 加熱切削時(shí)氮化硅陶瓷刀具破損形貌(10×)

3.3 CBN刀具對(duì)堆焊層加熱切削試驗(yàn)

采用相同試驗(yàn)條件，對(duì)CBN刀具進(jìn)行加熱切削試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):正交試驗(yàn)的各種試驗(yàn)參數(shù)條件下，刀具都迅速出現(xiàn)了非正常破損，使得加工難以穩(wěn)定進(jìn)行。其基本破壞形式(如圖6所示)與常溫切削并沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)的變化，因此可以認(rèn)為CBN刀具不適于用作高硬堆焊材料的加熱切削。

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明:CBN刀具不適于用作高硬堆焊材料的加熱切削;氮化硅陶瓷刀具盡管取得了一些效果，但刀具磨損速度仍然較快;YG610高性能硬質(zhì)合金應(yīng)用效果較為理想。

圖6 加熱切削時(shí)CBN刀具破損形貌(10×)

2)YG610刀具切削時(shí)，紅硬性是限制其應(yīng)用的主要因素。試驗(yàn)中刀具磨損隨表面加熱溫度、切削速度、切削深度的提高而增大，隨進(jìn)給量取值的增大而減小。其中切削速度對(duì)刀具VB值的影響最大，而進(jìn)給量和切削深度對(duì)刀具VB值的影響較小。

3)具有高紅硬性的刀具材料更適用于加熱切削，但高硬堆焊材料加熱切削時(shí)對(duì)刀具的沖擊仍然較大，切削刀具需要具備較高的韌性。因此，理想的加熱切削刀具需要同時(shí)具備較高的紅硬性和韌性，兩者缺一不可。

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