釩合金切削加工試驗分析

□ 胡水良 □ 魏根波

中國工程物理研究院機械制造工藝研究所 四川綿陽 621000

1 試驗背景

在釩合金材料車削過程中,釩合金容易與切削刀具中的合金元素發生化學反應,產生擴散現象,主要表現為明顯的切屑粘刀,并且刃口磨損較為嚴重,影響零件的加工質量和效率。釩合金材料的塑性高,在切削過程中會產生強烈的切削變形,由此導致切削力和切削熱急劇增大。另一方面,由于釩合金的導熱性差,在切削過程中熱量不易散發,切削區內形成較高溫度,造成刀具劇烈磨損,進而失效。由以上介紹可見,釩合金是一種典型的難加工材料。筆者針對釩合金棒料,利用三種牌號的切削刀具進行切削試驗。試驗結果表明,KC5010 TiAlN涂層刀具在切削釩合金材料時,具有良好的切削效果。

2 釩合金材料性能分析

釩合金材料屬于典型的難加工材料。試驗中使用的V-5Cr-5Ti釩合金材料化學成分見表1,物理性能見表2。釩合金材料主要成分為釩、鉻、鈦。釩及其同族元素鈮、鉭與鎢、鈦、鋯、鉻為元素周期表中的臨近元素,化學性質相似。鎢、鈦、鋯、鉻等是刀具或涂層的主要合金元素,釩與這些合金元素具有一定的親和性,容易產生擴散現象。因此,釩合金材料在切削過程中不可避免地會與刀具中的合金元素產生反應,宏觀表現為明顯的切屑粘刀現象,且刃口磨損較為嚴重,同時影響零件加工質量。

表1 V-5Cr-5Ti化學成分

表2 V-5Cr-5Ti物理性能

3 車削試驗

筆者選擇硬質合金刀具、涂層硬質合金刀具對V-5Cr-5Ti釩合金棒料進行車削試驗,對刀具使用壽命、刀具磨損量進行對比,明確不同刀具材料車削加工V-5Cr-5Ti釩合金材料的特性,為后續V-5Cr-5Ti釩合金材料加工選擇刀具提供依據。

根據V-5Cr-5Ti釩合金材料的物理性能,選擇三種牌號刀具進行車削試驗,刀具的成分及切削角見表3。

表3 刀具成分及切削角

切削試樣為φ50 mm×100 mm的V-5Cr-5Ti釩合金棒料,切削參數中,切削深度為0.2 mm,進給量為0.08 mm/r,切削行程為900 mm,切削速度為60 m/min和120 m/min。上述切削參數下,刀具的使用壽命可通過刀具磨鈍標準進行分析。

4 試驗結果

較低速度切削加工V-5Cr-5Ti釩合金棒料時,硬質合金刀具和涂層硬質合金刀具的切削路程都比較長,刀具使用壽命也較長。其中,涂層硬質合金刀具的使用壽命明顯長于硬質合金刀具,約為硬質合金刀具使用壽命的1.4倍。當切削速度提高時,三種刀具在切削過程中都會急劇磨損。

在設定的切削參數下進行V-5Cr-5Ti釩合金棒料車削,K313硬質合金刀具前、后刀面的表面磨損嚴重,刀具部分切削刃變形和塌陷,前刀面刃口有不同程度的粘接磨損,刃口圓弧存在部分缺陷。

BU810涂層硬質合金刀具車削V-5Cr-5Ti釩合金棒料后,刀具前刀面與后刀面相接處刃口局部區域存留粘附物,同時刃口有一定磨損,造成局部刃口缺失,刀具前、后刀面也有較為明顯的磨粒磨損。

KC5010涂層硬質合金刀具車削V-5Cr-5Ti釩合金棒料后,刃口輪廓較為完整,沒有出現崩刃現象,前、后刀面的涂層有一定磨損,未發現涂層剝落和與切屑粘接現象,由于KC5010涂層硬質合金刀具TiAlN涂層減小了刀具與釩合金材料的化學親和力,因此保護了刀具,提高了耐用度。

5 刀具磨損分析

釩合金材料的化學活性高,與硬質合金刀具材料具有較強的親和性。在切削過程中,切屑在壓力作用下快速從刀具表面滑過,必然有部分切屑粘結在刀具表面。隨著切屑、工件材料與刀具之間的相對運動,粘結在刀具表面的切屑會不斷受到沖擊。當沖擊力大于切屑的粘結力時,刀具表面的切屑會被流動的切屑帶走,同時某些刀具的表面晶粒也會被帶走,周而復始就會造成刀具粘結磨損。

當切屑粘結到刀具表面時,在高溫高壓下,切屑粘結層與刀具表面緊密接觸,刀具材料中的合金元素會向粘結層中產生擴散。刀具材料中的元素,特別是鈷元素擴散流失,會極大降低刀具的性能,從而造成刀具擴散磨損。由此可見,刀具的粘結磨損和擴散磨損同時發生,并相互促進,共同影響刀具的使用壽命。

6 結論

筆者選用三種不同牌號的刀具對V-5Cr-5Ti釩合金材料進行車削試驗,得出試驗結論。

(1)使用硬質合金刀具和涂層硬質合金刀具切削加工V-5Cr-5Ti釩合金材料時,涂層硬質合金刀具的使用壽命長于硬質合金刀具。當切削速度提高時,涂層硬質合金刀具和硬質合金刀具的切削性能相差很小。

(2)KC5010涂層硬質合金刀具由于具有TiAlN涂層,切削V-5Cr-5Ti釩合金材料時具有較好的切削性能。BU810涂層硬質合金刀具的使用壽命接近KC5010涂層硬質合金刀具,切削性能較好。K313硬質合金刀具不適合V-5Cr-5Ti釩合金材料的切削加工。