CN107350899A - 一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法 - Google Patents

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Abstract

一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法，先将刀具材料与工件材料的接触面进行研磨抛光直至表面无划痕，而后将两者的抛光面贴紧装入夹具中并保持压力为P的预紧力，再将其连带夹具送入到电阻炉中加热X℃并保温时间N后，对工件材料与刀具材料两者的接触面均进行平整抛光以除去氧化层，最后再使用SEM和EDS对工件材料与刀具材料的接触面进行分析，从而判断出元素扩散难易度，并以此作为评价刀具氧化扩散磨损的依据。通过本发明的方法可以有效地评价出切削刀具在切削某种材料时的氧化扩散磨损性能，从而为选择合适的刀具来切削某种材料提供有效的理论依据。

Description

一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法
技术领域
本发明涉及到机械切削领域用到的刀具，具体的说是一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法。
背景技术
刀具作为切削过程的直接执行者，在工件的切削加工过程中不可避免地存在着磨损和破损等现象，特别是在高速切削中，刀具的磨损尤为严重。高速难加工材料时，由于切削温度很高，刀具的扩散磨损成为刀具的主要磨损机理之一。在刀具高速切削过程中，由于切削区域温度高，且难加工材料切削粘性大，导致刀−屑接触区域材料互相扩散溶解明显。随着刀具不断与新的难加工材料接触，不同材料成分的浓度差加剧了扩散溶解进程。从而引发刀具因过早扩散磨损而失效。
磨损后的刀具寿命急剧下降，工件表面粗糙度上升，工件的尺寸往往会超出设计公差。虽然及时换刀可以解决部分工件精度的不足的问题，但对于加工航空航天、新型模具等难加工材料，特别涉及到有国防要求的大型或精密零件，过频的换刀会增加整体零件的重复定位误差，达不到设计要求。
目前对刀具切削过程中氧化扩散磨损的评价方法主要靠两种：一种是直接检测加工磨损后刀具的前、后刀面扩散情况，主要使用工具磨床将刀具截面缓慢磨至磨损处，然后在截面里观察切屑与刀具基体的扩散磨损情况，但是由于实际中加工后切屑与刀具连接的剩余部分非常少，在清洗和磨床制样时非常容易脱落，很难观测到刀屑接触面，同时也很难得到能够在刀具实际切削过程中的氧化扩散磨损的具体程度。第二种是采用数值分析的方法，利用热力学理论对刀具的氧化扩散磨损进行计算，由于是理论上的计算，有时候和实际差距较大，只能给出一种定性的解释，无法提供该切削温度下刀具具体的氧化扩散磨损程度。
发明内容
本发明的目的是提供一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法，通过该方法可以有效地评价出切削刀具在切削某种材料时的氧化扩散磨损性能，从而为选择合适的刀具来切削某种材料提供有效的理论依据。
本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法，先将刀具材料与工件材料的接触面进行研磨抛光直至表面无划痕，而后将两者的抛光面贴紧装入夹具中并保持压力为P的预紧力，再将其连带夹具送入到电阻炉中加热X℃并保温时间N后，对工件材料与刀具材料两者的接触面均进行平整抛光以除去氧化层，最后再使用SEM和EDS对工件材料与刀具材料的接触面进行分析，从而判断出元素扩散难易度，并以此作为评价刀具氧化扩散磨损的依据。
所述使用SEM和EDS对工件材料与刀具材料的接触面进行分析的方法有如下三种：
a）对刀具材料和工件材料的接触界面进行元素的面扫描分析，从而得到整个接触面上元素的分布图，并以此为依据判断出元素扩散难易度；
b）在刀具材料和工件材料的接触界面两侧进行线扫描分析，观察不同元素沿该扫描线的含量变化，并以此为依据判断出元素扩散难易度；
c）在刀具材料和工件材料的接触界面两侧分别取若干测量点，对每个测量点进行EDS元素定量分析，然后把所有点的某种元素的百分含量绘制在一条曲线上，即得到这种元素在扩散界面两侧的元素溶解-扩散曲线，并以此为依据判断出该元素扩散难易度。
所述夹具包括两块横向夹板和两块纵向夹板，且两块横向夹板和两块纵向夹板之间通过紧固螺栓连接，刀具材料和工件材料均为块状，且刀具材料的一个侧面贴紧其中一块横向夹板或纵向夹板，另外的三个侧面分别与三块工件材料紧贴，并由两块横向夹板和两块纵向夹板通过紧固螺栓将三块工件材料压紧固定在刀具材料的三个侧面上。
所述三块工件材料与刀具材料的三个接触面的两侧分别设置有热传感器，以检测处于电阻炉内加热保温时，三个接触面两侧的温度差。
有益效果：本发明通过将刀具材料和工件材料在一定压力、一定温度下保温一定时间，使两种材料氧化并进行扩散，进而使用SEM和EDS对工件材料与刀具材料的接触面进行分析，从中分析出两者间元素的扩散分布，并依此为依据作为评价某种材质的刀具与某工件材料之间氧化扩散磨损速度的指标，从而为加工某种工件材料时刀具的选用提供有效的依据，最后通过选用合适的刀具来尽可能的减小切削刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。
附图说明
图1为本发明中夹具的结构示意图；
图2为实施例1的扩散试样结合处线扫描图（400℃）；
图3为实施例1的扩散试样结合处面扫描图（400℃）；
图4为实施例1的扩散试样结合处线扫描图（600℃）；
图5为实施例1的扩散试样结合处面扫描图（600℃）；
图6为实施例2的扩散试样结合处线扫描图（400℃）；
图7为实施例2的扩散试样结合处线扫描图（600℃）；
图8为实施例2的扩散试样结合处面扫描图（600℃）；
附图标记：1、横向夹板，2、纵向夹板，3、紧固螺栓，4、刀具材料，5、工件材料。
具体实施方式
一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法，先将刀具材料与工件材料的接触面进行研磨抛光直至表面无划痕，而后将两者的抛光面贴紧装入夹具中并保持压力为P的预紧力，再将其连带夹具送入到电阻炉中加热X℃并保温时间N后，对工件材料与刀具材料两者的接触面均进行平整抛光以除去氧化层，最后再使用SEM和EDS对工件材料与刀具材料的接触面进行分析，从而判断出元素扩散难易度，并以此作为评价刀具氧化扩散磨损的依据；
本发明在使用时，采用上述方法对多种合金刀具分别于待切削的工件进行试验，从而比较每种合金刀具与待切削工件之间元素扩散难易度，选取其中最难扩散的合金刀具作为切削该工件的刀具。
本发明中，所述使用SEM和EDS对工件材料与刀具材料的接触面进行分析的方法有如下三种：
a）对刀具材料和工件材料的接触界面进行元素的面扫描分析，从而得到整个接触面上元素的分布图，并以此为依据判断出元素扩散难易度；
b）在刀具材料和工件材料的接触界面两侧进行线扫描分析，观察不同元素沿该扫描线的含量变化，并以此为依据判断出元素扩散难易度；
c）在刀具材料和工件材料的接触界面两侧分别取若干测量点，对每个测量点进行EDS元素定量分析，然后把所有点的某种元素的百分含量绘制在一条曲线上，即得到这种元素在扩散界面两侧的元素溶解-扩散曲线，并以此为依据判断出该元素扩散难易度。
本发明中，所述的元素扩散难易度是指，本领域技术人员人为定义的分级制度，比如人为将扩散难易度分为三级、五级或九级等，当然也可以尝试用百分比来定义；人为定义的分级制度依据可以是资料的记载，也可以是多次实验或得到的数据作为依据。
如图1所示，本发明所述夹具包括两块横向夹板1和两块纵向夹板2，且两块横向夹板1和两块纵向夹板2之间通过紧固螺栓3连接，刀具材料4和工件材料5均为块状，且刀具材料4的一个侧面贴紧其中一块横向夹板或纵向夹板，另外的三个侧面分别与三块工件材料5紧贴，并由两块横向夹板1和两块纵向夹板2通过紧固螺栓3将三块工件材料5压紧固定在刀具材料4的三个侧面上；为了提高效率，也可以采用一块工件材料5和三块不同成分的刀具材料4，然后三块刀具材料4可以同时与工件材料5进行试验；
所述三块工件材料与刀具材料的三个接触面的两侧分别设置有热传感器，以检测处于电阻炉内加热保温时，三个接触面两侧的温度差；这样可以选择在氧化过程中接触表面温度差较小的表面进行元素溶解-扩散分析；
本发明中，在电阻炉内加热到X℃，该X℃应使刀具材料和工件材料在电阻炉中能够快速氧化并在表面形成氧化层。
下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1、硬质合金刀具YG3X与Ti-6Al-4V氧化扩散磨损
采用本发明的方法选用YG3X和Ti-6Al-4V两种材料制成扩散试样在400℃下保温1h，对两者的结合面处进行线扫描，结果如图2所示；从图2中可以看出硬质合金刀片YG3X与Ti-6Al-4V钛合金中的元素已经发生了扩散。YG3X成份是WC和Co，其本身不含Ti元素，Ti-6Al-4V不含W元素，图2的钛元素线扫描可看出，Ti-6Al-4V中的钛元素已经扩散到YG3X试样中，YG3X中的W元素也扩散到了Ti-6Al-4V试样中，扩散深度在5~6 微米左右；
对两者的结合面处进行面扫描，结果如图3所示；由图3可以看出，在Ti-6Al-4V一侧没有明显的W元素，而YG3X一侧也没有很明显的Ti元素，所以说扩散现象并不是很显著；
将YG3X和Ti-6Al-4V两种材料制成扩散试样在600℃下保温1h，对试样结合面处进行的线扫描，结果如图4所示；从图4中可以看出来，Ti元素的扩散比在400 ℃下保温一小时的试样要强很多，扩散深度已经超过10微米，YG3X中的W元素向Ti-6Al-4V中的扩散程度也明显高于400 ℃条件下的试样，扩散深度达到9微米左右；对两者的结合面处进行面扫描，结果如图5所示；
实施例2、硬质合金刀具YT15与Ti-6Al-4V氧化扩散磨损
采用本发明的方法选用YT15和Ti-6Al-4V两种材料制成扩散试样在400℃下保温1h，对试样结合面处进行的线扫描，结果如图6所示，由图6可知，YT15中的W元素已经扩散到了Ti-6Al-4V中，且扩散深度在6~7微米左右，Ti元素的线扫描则表明，其在YT15中的含量要明显高于YG3X，这是因为YT15本身就含有钛元素的缘故；
将YT15和Ti-6Al-4V两种材料制成扩散试样在600℃下保温1h，对试样结合面处进行的线扫描，结果如图7所示，由图7中不难看出，钛元素和钨元素的扩散程度也明显要比400 ℃条件下的扩散严重，可见温度对元素的扩散起了很重要的作用，扩散温度越高，扩散现象也就严重；对试样结合面处进行的面扫描，结果如附图8所示。

Claims (4)

1.一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法，其特征在于：先将刀具材料与工件材料的接触面进行研磨抛光直至表面无划痕，而后将两者的抛光面贴紧装入夹具中并保持压力为P的预紧力，再将其连带夹具送入到电阻炉中加热X℃并保温时间N后，对工件材料与刀具材料两者的接触面均进行平整抛光以除去氧化层，最后再使用SEM和EDS对工件材料与刀具材料的接触面进行分析，从而判断出元素扩散难易度，并以此作为评价刀具氧化扩散磨损的依据。
2.根据权利要求1所述的一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法，其特征在于，所述使用SEM和EDS对工件材料与刀具材料的接触面进行分析的方法有如下三种：
a）对刀具材料和工件材料的接触界面进行元素的面扫描分析，从而得到整个接触面上元素的分布图，并以此为依据判断出元素扩散难易度；
b）在刀具材料和工件材料的接触界面两侧进行线扫描分析，观察不同元素沿该扫描线的含量变化，并以此为依据判断出元素扩散难易度；
c）在刀具材料和工件材料的接触界面两侧分别取若干测量点，对每个测量点进行EDS元素定量分析，然后把所有点的某种元素的百分含量绘制在一条曲线上，即得到这种元素在扩散界面两侧的元素溶解-扩散曲线，并以此为依据判断出该元素扩散难易度。
3.根据权利要求1所述的一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法，其特征在于：所述夹具包括两块横向夹板和两块纵向夹板，且两块横向夹板和两块纵向夹板之间通过紧固螺栓连接，刀具材料和工件材料均为块状，且刀具材料的一个侧面贴紧其中一块横向夹板或纵向夹板，另外的三个侧面分别与三块工件材料紧贴，并由两块横向夹板和两块纵向夹板通过紧固螺栓将三块工件材料压紧固定在刀具材料的三个侧面上。
4.根据权利要求3所述的一种评价刀具切削中氧化扩散磨损的方法，其特征在于：所述三块工件材料与刀具材料的三个接触面的两侧分别设置有热传感器，以检测处于电阻炉内加热保温时，三个接触面两侧的温度差。
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