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陶瓷刀具切削加工时的磨损机理

内容导读:在陶瓷刀具切削加工过程中,始终存在两个摩擦副,即前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面与工件间的摩擦副。其中,前者影响刀具前刀面的磨损,后者影响刀具后刀面的磨损和已加工表
在陶瓷刀具切削加工过程中,始终存在两个摩擦副,即前刀面与切屑间的摩擦副和后刀面与工件间的摩擦副。其中,前者影响刀具前刀面的磨损,后者影响刀具后刀面的磨损和已加工表面质量,前、后刀面的磨损均影响刀具寿命。陶瓷刀具主要用于高速切削场合,切削温度常可高达800~1000℃(甚至更高),切削压力也很大。因此,陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损综合作用的结果,其磨损机制主要包括磨料磨损、粘结磨损、化学反应、扩散磨损、氧化磨损等。已有的研究表明,陶瓷刀具的磨损与切削条件密切相关。不同的陶瓷刀具材料在不同切削条件下加工不同的工件材料时,占主导地位的磨损机制可能有所不同。如在低速切削时,由于切削温度较低,其磨损机理往往表现为磨粒磨损;而在高速切削时,则以高温引起的粘着磨损、化学反应、氧化磨损和扩散磨损为主。

Al2O3基陶瓷刀具在连续切削钢件时,其磨损机理主要为伴有微崩刃的磨料磨损和粘结磨损,而在切削铸铁时主要为磨料磨损。Wayne和Brandt等人通过研究用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718材料得出结论:在低速切削条件下,磨料磨损和粘结磨损为陶瓷刀具的主要磨损机制;而在高速切削条件下,粘结磨损、化学反应和扩散磨损为陶瓷刀具的主要磨损机制。由于Inconel718材料高温强度高,塑性变形大,加工硬化严重,切削力和切削温度均很高。当切削温度小于900℃时,刀具前刀面以粘结磨损为主;当温度达到1200℃时,Ni就开始向刀具中心扩散。由于Ni的扩散,一方面使刀具材料表面硬度下降,性能降低;另一方面使刀具与工件的亲和性增加,粘结磨损增大。

陶瓷刀具切削加工时的磨损机理

用Al2O3/SiCw陶瓷刀具加工Inconel718时必须使用切削液(含氯化石蜡的切削液效果更好)。Casto等人通过研究用Al2O3/ZrO2陶瓷刀具加工AISI1040材料得出结论:刀具的磨损机理主要表现为粘结磨损和磨料磨损,而用Si3N4陶瓷刀具加工AISI1040钢时,刀具表面存在严重的化学反应。用Al2O3/ZrO2和Al2O3/TiCN陶瓷刀具加工AISI4337钢时,前刀面和后刀面的磨损机理不同。化学反应及塑性变形是前刀面磨损的主要原因,后刀面的磨损机理则是陶瓷颗粒间发生断裂,导致陶瓷颗粒脱落所致。Brandt发现了Al2O3基陶瓷刀具切削时表层的塑性变形现象,并认为这是由于Al2O3与FeO(钢表面氧化产物)或MgO(陶瓷添加剂)反应形成了尖晶石结构,或者是Al2O3与SiO2、CaO作用形成了低熔点、低硬度的化合物。作者的研究表明:Al2O3/TiB2陶瓷刀具在加工高强钢和淬硬钢时具有较好的耐磨性,随着TiB2含量的增加,刀具的耐磨性能增强。

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