CN108362590B - 一种面向难加工材料切削的刀具材料选择方法 - Google Patents

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Abstract

一种面向难加工材料切削的刀具材料选择方法，按以下步骤进行：(1)预估难加工材料的切削温度范围；(2)分别测量常温及切削温度下的难加工材料及刀具材料硬度，若切削温度下刀具材料硬度变化不大且大于难加工材料硬度，则进入下一个步骤；(3)分析常温及切削温度下的刀具材料的化学稳定性；(4)测量常温及切削温度下难加工材料与刀具材料的滑动摩擦系数；当被测试刀具材料的摩擦系数小于已知刀具材料时，进行下一步骤；(5)进行切削试验，完成切削且未发生化学反应，即为合格刀具材料。本发明的方法是一个较为全面的评价体系，可以有效地判断刀具材料与难加工材料的匹配性。

Description

一种面向难加工材料切削的刀具材料选择方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，特别涉及一种面向难加工材料切削的刀具材料选择方法。
背景技术
难加工材料被广泛应用于航空航天领域，难加工材料加工过程中的切削温度很高、刀具磨损严重；对刀具材料的硬度、热稳定性要求很高；随着航空航天技术的飞速发展，关于难加工材料的加工技术还有待于深入研究，因此急需形成一套针对难加工材料与刀具材料匹配性的科学评价体系。
目前针对刀具材料与难加工材料匹配性的研究，一般从刀具磨损情况及零件表面加工质量等单一方面来评价；针对刀具材料与难加工材料匹配性的研究主要集中于涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具；且一般通过化学热力学原理对刀具材料与难加工材料匹配性进行理论计算，从理论上预测刀具材料与难加工材料可能发生的反应以确定刀具与工件材料的匹配性，缺少相关的试验验证且没有形成一套较为完整的评价体系。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向难加工材料切削的刀具材料选择方法，通过预估温度、硬度条件、化学稳定性、滑动摩擦系数等条件的测试分析及验证，判断刀具材料与难加工材料的匹配性。
本发明的方法按以下步骤进行：
(1)预估难加工材料的切削温度范围；
(2)分别测量常温及切削温度下的难加工材料及刀具材料硬度，判断切削温度下的刀具材料硬度与常温下的刀具材料硬度是否有较大改变，如果刀具材料硬度在切削温度下较常温下降低超过200HV，则排除该刀具材料；如果硬度降低不超过200HV，则比较切削温度下刀具材料的硬度和难加工材料的硬度；若切削温度下刀具材料硬度小于难加工材料硬度，则排除该刀具材料；若切削温度下刀具材料硬度仍大于难加工材料硬度，则进入下一个步骤；
(3)分析常温及切削温度下的刀具材料的化学稳定性；分析刀具材料磨损区域及其表面的元素/化合物，分析难加工材料中的元素/化合物，若两者的相同元素/化合物的占刀具材料的重量百分比≥6％，则排除该刀具材料；若两者的相同元素/化合物的占刀具材料重量百分比 <6％，则进入下一个步骤；
(4)测量常温及切削温度下难加工材料与刀具材料的滑动摩擦系数；在相同滑动速度、相同法向载荷和不同切削温度参数条件下，测量切向力并利用公式μ＝Ft/FN计算难加工材料板与刀具材料块间的滑动摩擦系数，公式中Ft为切向力，FN为法向力；得出刀具材料同难加工材料的摩擦系数的变化曲线；在切削温度和常温条件下，比较被测试的刀具材料的摩擦系数和已知刀具材料的摩擦系数，当被测试刀具材料的摩擦系数大于已知刀具材料时，排除该刀具材料，当被测试刀具材料的摩擦系数小于已知刀具材料时，进行下一步骤；
(5)采用刀具材料制备的刀具进行难加工材料切削试验，同时测量加工过程中的切削力；测量难加工材料的切削温度；在该切削温度下完成切削且未发生化学反应，即为合格刀具材料。
上述方法中，进行步骤(5)时，先在难加工材料的底面预加工一个盲孔，作为热电偶测温孔；然后将热电偶丝插入盲孔内，用于测量切削时难加工材料的切削温度；至刀具切断热电偶丝，测温结束。
上述方法中，通过查阅难加工材料切削热的相关文献，预估难加工材料加工过程的切削温度范围。
上述的已知刀具材料为根据文献获得的用于难加工材料的刀具材料。
本发明的方法是一个较为全面的评价体系，通过刀具材料硬度试验、刀具材料化学稳定性的试验分析、切削试验、摩擦系数试验可以有效地判断刀具材料与难加工材料的匹配性。
附图说明
图1是本发明的面向难加工材料切削的刀具材料选择方法流程示意图。
图2是本发明实施例1中的硬质合金YG6X的硬度测试结果曲线图。
图3是本发明实施例1中的不同温度下硬质合金YG6X与GH4169高温合金的滑动摩擦系数测试结果曲线图。
具体实施方式
本发明实施例中选用的难加工材料为GH4169高温合金，其成分按重量百分比含C≤0.08％，Cr 17～21％，Ni50～55％，Co≤1％，Mo 2.8～3.3％，Al 0.3～0.7％，Ti 0.75～1.15％，余量为Fe，常温硬度在300～400HV。
本发明实施例中选用的刀具材料为硬质合金YG6X。
本发明实施例中利用SEM+EDS技术分析刀具材料磨损区域及其表面的元素/化合物。
本发明实施例中通过立式加工中心VMC850B进行难加工材料切削试验；并用Kistlter9257b三向测力仪测量加工过程中的切削力。
本发明实施例中利用洛氏硬度仪测量刀具材料和难加工材料的洛氏硬度。
实施例1
流程如图1所示；
通过查阅文献，预估GH4169高温合金的切削温度在200～900℃；
利用洛氏硬度仪测量常温和切削温度下硬质合金YG6X和GH4169高温合金的洛氏硬度；硬质合金YG6X的硬度测试结果如图2所示；在切削温度下较常温下硬度降低不超过200HV；且大于GH4169高温合金在切削温度下的硬度；GH4169高温合金在切削温度下硬度与常温时无明显变化，不超过400HV；
根据化学成分，硬质合金YG6X与GH4169高温合金的相同元素/化合物的占硬质合金 YG6X的重量百分比<6％；判断该刀具材料的化学稳定性符合要求；
不同温度下硬质合金YG6X与GH4169高温合金的滑动摩擦系数测试结果如图3所示；摩擦系数小于已知刀具材料；已知刀具材料为PCD刀具；
采用硬质合金YG6X材质的刀具材料对GH4169高温合金进行切削，完成切削且未发生化学反应；
切削时先在GH4169高温合金底面预加工一个盲孔，作为热电偶测温孔；然后将K型热电偶丝插入盲孔内，刀具切断热电偶丝，测温结束。

Claims (2)

1.一种面向难加工材料切削的刀具材料选择方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）预估难加工材料的切削温度范围；选用的难加工材料为GH4169高温合金，其成分按重量百分比含C ≤0.08%，Cr 17~21%， Ni50~55%，Co≤1%，Mo 2.8~3.3%，Al 0.3~0.7%，Ti0.75~1.15%，余量为Fe，常温硬度在300~400HV；
（2）分别测量常温及切削温度下的难加工材料及刀具材料硬度，判断切削温度下的刀具材料硬度与常温下的刀具材料硬度是否有较大改变，如果刀具材料硬度在切削温度下较常温下降低超过200HV，则排除该刀具材料；如果硬度降低不超过200HV，则比较切削温度下刀具材料的硬度和难加工材料的硬度；若切削温度下刀具材料硬度小于难加工材料硬度，则排除该刀具材料；若切削温度下刀具材料硬度仍大于难加工材料硬度，则进入下一个步骤；
（3）分析常温及切削温度下的刀具材料的化学稳定性；分析刀具材料磨损区域及其表面的元素/化合物，分析难加工材料中的元素/化合物；若两者的相同元素/化合物的占刀具材料的重量百分比≥6%，则排除该刀具材料；若两者的相同元素/化合物的占刀具材料的重量百分比<6%，则进入下一个步骤；
（4）测量常温及切削温度下难加工材料与刀具材料的滑动摩擦系数；在相同滑动速度、相同法向载荷和不同切削温度参数条件下，测量切向力并利用公式μ=Ft/FN计算难加工材料板与刀具材料块间的滑动摩擦系数，公式中Ft为切向力，FN为法向力；得出刀具材料同难加工材料的摩擦系数的变化曲线；在切削温度和常温条件下，比较被测试的刀具材料的摩擦系数和已知刀具材料的摩擦系数，当被测试刀具材料的摩擦系数大于已知刀具材料时，排除该刀具材料，当被测试刀具材料的摩擦系数小于已知刀具材料时，进行下一步骤；
（5）采用刀具材料制备的刀具进行难加工材料切削试验，同时测量加工过程中的切削力；测量难加工材料的切削温度，方法为：先在难加工材料的底面预加工一个盲孔，作为热电偶测温孔；然后将热电偶丝插入盲孔内，用于测量切削时难加工材料的切削温度；至刀具切断热电偶丝，测温结束；在该切削温度下完成切削且未发生化学反应，即为合格刀具材料。
2.根据权利要求1所述的一种面向难加工材料切削的刀具材料选择方法，其特征在于步骤（1）中通过查阅难加工材料切削热的相关文献，预估难加工材料加工过程的切削温度范围。
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