PCBN刀具切削气门座圈磨损性能研究

韩江(1963-),男,河南洛阳人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

PCBN刀具切削气门座圈磨损性能研究

丁志,韩江,杨海东

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥230009)

摘要:文章采用 PCBN刀具对气门座圈进行了高速干切削试验,使用扫描电子显微镜(SEM)观察刀具的磨损形貌,通过能谱分析(EDS)分析了刀具磨损微区表面成分,并对刀具的主要磨损机理进行了分析。研究结果表明,使用PCBN刀具高速切削粉末冶金材料时,刀具在未达到磨钝标准前就会产生脆性破损。PCBN刀具磨损机理主要为黏结剂磨损、氧化磨损和扩散磨损的综合作用。

关键词:PCBN刀具;气门座圈;高速车削;磨损机理

收稿日期：2014-01-20；修回日期：2014-08-20

基金项目：合肥工业大学科学研究发展基金资助项目(2012HGX067)

作者简介：丁志(1978-),男,安徽凤阳人,合肥工业大学讲师;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.01.005

中图分类号:TG506.1文献标识码：A

ResearchonwearperformanceofPCBNtoolsinturningofvalveseatinsert

DINGZhi，HANJiang，YANGHai-dong

(SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:High-speed dry turning experiments on valve seat insert with PCBN cutters were conducted. The main tool wear mechanism was discussed by observing the tool wear morphology through scanning electron microscopy(SEM) and detecting the element distribution of the worn tool surface through energy dispersive spectroscopy(EDS). The experimental results indicated that fragile breakage occurred before it reached the blunt standard on tool flank face in high-speed turning of valve seat insert with PCBN cutters, and the main tool wear mechanism is the synergistic interaction among binder wear, oxidation wear and diffusion wear.

Keywords:PCBNtool;valveseatinsert;high-speedturning;wearmechanism

气门座圈是用于发动机中和气门相配合,使燃烧室保持气密性的一个零件。由于发动机气门座圈处于高应力、高温度和高腐蚀的工作环境中[1],为保证其工作可靠性和使用寿命,必须选用耐磨性好,对气门侵蚀性小的材料。

目前,由粉末冶金方法压制的气门座圈具有优良的耐磨性、耐热性、耐脱落性[2],在国内汽车零配件领域的应用越来越广泛,但是,粉末冶金材料的座圈机械加工难度较大,如用硬质合金刀具进行加工，刀具表现出使用寿命短、表面质量差等问题。

经过大量的生产试验,选用超硬刀具材料PCBN进行气门座圈的高速车削加工可以很好地解决该问题,大大提高了机械加工效率。虽然PCBN刀具材料适用于高速硬切削,且具有较高的刀具使用寿命,但若使用不当,往往会发生非正常磨损甚至破损[3-5],降低刀具的使用寿命。

本文采用PCBN刀具对粉末冶金气门座圈进行了高速干车削试验,对生产实践中刀具的磨损形貌进行观察分析,并针对气门座圈材料的特殊切削性能,系统地研究了高速车削气门座圈时PCBN刀具的磨损机理,以期为PCBN刀具在高速、高效切削粉末冶金材料中的推广应用提供试验依据。

1切削加工试验

1.1　刀具材料及机械性能

气门座圈硬度虽没有淬硬钢高,但其基体内含很多硬质相,耐磨性较好,故选用住友电工生产的具有良好耐磨性的BN10作为切削刀具材料,其显微结构如图1所示。

图1　 BN100刀具材料的显微结构

试验用BN100刀具的化学成分和性能如下:BN颗粒粒径为3μm;w(CBN)为85%(CBN含量越高,硬度越高,耐磨性越好,但耐冲击性降低);结合剂为TiN;断裂韧性为0.8MPa·m1/2;导热系数为217W/(m·K)；硬度为HV3 700～4 000,适合加工粉末冶金材料。

1.2　工件材料

气门座圈选用某公司特有的专利产品CMP合金粉末硬质粒子型P/M材料。 硬质粒子扩散强化型P/M材料具有CMP合金粉弥散型的组织构成,其显微结构组织如图2所示。

图2　 CMP合金粉弥散型组织结构

硬质粒子含有的化学主要成分是Cr-Mo-Co-Ni系金属化合物[6], 这种硬质合金粒子均布在金属粉末中,经成形、烧结后,其中Cr、Ni和Co向基体扩散,提高了基体的耐热性以及硬质粒子与基体的结合强度,显著提升座圈受冲击的能力和抗磨性；最终硬度达HRC42～50,密度为7.8g/cm3,压溃强度900MPa以上,其化学成分见表1所列。

表1　气门座圈化学成分　%

1.3　实验条件

试验在RTZC-10上进行,切削座圈内圆表面,工件内孔直径为φ45mm,切削速度vc=226m/min;切深ap=0.1 mm;进给量f=0.1mm/r;干式切削。刀具工作角度为:γo=0°,αo=10°,κr=75°,κr′=45°，λs=0°;刀尖圆弧半径rε=0.8mm;负倒棱参数为 br1γbr1=0.2mm×(-20°)。在切削过程中的不同阶段以及刀具破损后,采用JSM-6490LV型扫描电子显微镜(SEM)观察刀具磨损表面形貌,用电镜附带的能谱分析仪(EDS)分析磨损表面的化学成分。

2实验结果与分析

2.1　刀具磨损形式

PCBN作为超硬刀具材料,在高速硬态切削中应用广泛,其磨损形式主要表现在前刀面磨损、后刀面磨损、沟槽磨损和剥落等[6-7]。而用PCBN刀具高速干式切削粉末冶金材料的磨损形式的研究并不多见,其具有3种磨损形式。

(1) 前刀面磨损。在切削加工的前期,刀具边缘(倒棱位置)首先出现微崩刃,前刀面也出现轻微的磨损,如图3a所示;随着切削加工的进行，前刀面的磨损加速,并逐渐稳定下来形成了月牙洼,如图3b所示;但是有一部分微崩刃处,在受到振动和外力的冲击下产生较大面积的剥落，形成缺口甚至崩刃,如图3c所示。

由于刀片磨有负倒棱0.2mm×(-20°),且切削深度只有0.1mm,所以前期出现的月牙洼磨损主要集中在负倒棱上。刚开始磨损时,磨损面积比较小,磨损带靠近刀具边缘部分,呈现中间大、两头小的形状;随着切削加工的继续,负倒棱上形成的月牙洼会逐渐变大、变深,起到断屑的作用,并在月牙洼底部产生应力集中,加之切削座圈本身产生的就是不连续切屑,刀尖在不连续冲击的情况下,很容易使倒棱附近的材料产生疲劳破坏;另外,月牙洼变大、变深,使得刀具实际的工作前角增大,刀尖变得更加锋利,刀尖的强度大大降低,很容易产生大的崩刃,使刀具失效,如图3d所示。

图3　 PCBN刀具前刀面磨损形貌

(2) 后刀面磨损。高速切削气门座圈时,后刀面与工件表面之间存在着强烈的摩擦,由于切削深度较小,摩擦磨损主要出现在刀尖圆弧半径附近,在显微镜下可观察到明显的磨损亮带,不同磨损状态下后刀面磨损的形貌如图4所示。从图4中可以观察到在高速切削粉末冶金材料时,后刀面均存在均匀的磨损带,并可观察到后刀面沿着切削速度方向被磨出了许多细长的沟槽。图4a所示为正常磨损状态;图4b所示为前刀面崩刃后后刀面的磨损形貌;图4c所示为刀具倒棱边缘发生微崩刃时刀具后刀面的磨损形貌。

由图4可知,前刀面磨损的形式和快慢对后刀面有直接的影响,在切削过程中这2种磨损形式往往同时发生。

图4　 PCBN刀具后刀面磨损形貌

(3) 刀具破损。由于刀具在制作过程中材质存在差异,切削过程中的振动或工件材料硬质点对刀尖的冲击作用均可造成刀具破损。

虽然PCBN刀具硬度很高,适合加工硬度在45HRC以上的工件;但是,由于其脆性较大、韧性较差,在高速切削过程中刀具常会发生典型脆性破损,从而直接使刀具失效。几种常见的刀具破损后的表面形态如图5所示。

图5　 PCBN刀具的破损形态

随着刀具前、后刀面不断磨损,刀尖负倒棱处的强度不断下降,切削载荷或热应力超过了刀具切削刃的强度时,刀具会发生崩刃,如图5b、图5d、 图5e所示,甚至刀头出现碎断,如图5f所示,造成刀具破损。在实际生产中,一个刀刃可加工4 000～8 000个零件不等,跨度较大,刀具寿命不稳定的原因在于未达到磨钝标准前刀具就出现了破损。

2.2　刀具磨损原因

刀具破损的形式和快慢基于前期刀具的磨损情况而定。目前研究认为PCBN刀具在切削难加工材料时,主要有:机械磨损、黏结剂磨损、氧化磨损、相变磨损、化学磨损、扩散磨损、黏结磨损、微裂解磨损等[6-8], 这与陶瓷刀具的磨损机理很相似[9-10]。而在PCBN高速干切削粉末冶金气门座圈时,刀具的磨损机理主要有3方面。

(1) 黏结剂磨损。在高速切削过程中,前刀面与切屑底部、后刀面与工件已加工表面之间产生强烈摩擦,刀具材料中的黏结相被粉末冶金材料中的硬质相摩擦掉,使刀具表面变得粗糙,致使许多CBN颗粒凸出,很容易从刀片中脱落,从而发生了黏结剂磨损。如图3a、图4a和图4c所示,在前、后刀面的磨损带上均可看见一条条沟槽状的凹痕。刀尖圆弧半径处的能谱分析如图6所示。

图6　刀尖圆弧半径处的能谱分析

表2所列为图6a中前刀面谱图2位置在早期磨损阶段的化学元素分布情况,可知Ti的含量大幅度减少,说明发生了黏结剂磨损。刀具表面上的材料在黏结剂磨损的作用下,将会逐层脱落并被带走,从而在刀-屑接触部位产生多层缺口,形成台阶状,如图6b所示。黏结剂磨损不论在切削的早期还是后期都是刀具磨损的主要原因。

表2　前刀面刀尖处的主要元素含量　%

注：各元素测定其原子的K层电子。

(2) 氧化磨损。PCBN刀具磨损后前、后刀面成分的能谱图如图7所示。图7a中缺少B和图7b中缺少N、Ti等元素是由于电子探针未能测出造成的。从图7可以看出,刀具表面增加了Fe、C、O、Cr、Mo、W、Cu等元素;Co的含量显著增加;其中Fe、C、Cr、Mo、W、Cu和Co元素来自工件,O元素来自空气,Ti和Al来自复合片中的黏结相。

具体能谱检测结果见表3、表4所列。

表3　前刀面上各元素质量分数　%

表4　后刀面上各元素质量分数　%

对上述结果进行分析可知,Fe、Al、O元素均增多,说明有氧化磨损,前刀面上生成了FeO、Al2O3等金属氧化物,后刀面还生成了SiO2,在一定温度和压力条件下,CBN也可与空气中O发生反应,生成B2O3,氧化的结果造成CBN晶体晶面凹陷、晶格缩小,使刀具发生“钝化”现象,影响刀具使用寿命[7];后刀面上O、Fe、Si元素的含量比前刀面上多,因为PCBN高速切削气门座圈过程中,形成单元切屑,刀具后刀面与已加工表面存在连续、较大的机械摩擦作用,温度最高,所以后刀面的氧化磨损现象比前刀面更明显。

(3) 扩散磨损。根据图7所示的能谱检测结果可知,工件材料中的W和Co以及刀具黏接剂中的元素Al和Co等发生了相互扩散。在一定条件下,W、Co会渗透到CBN层中,导致PCBN中的W、Co含量大大高于添加量;且有W渗透的临界温度低、Co渗透的临界温度高的特点,后刀面温度高,所以Co含量比前刀面多。对于PCBN复合片而言,Co含量的增加,反而会降低复合片强度,使耐磨性减弱,加快刀具磨损。

3结论

(1)PCBN高速切削气门座圈时,磨损的主要形式是前刀面磨损、后刀面磨损和破损。破损是切削过程中刀具失效的主要形式。

(2)PCBN高速切削气门座圈时,刀具磨损的主要机理是黏结剂磨损、氧化磨损、扩散磨损3种。黏结剂磨损在整个切削过程中一直都存在,是刀具磨损的主要原因；氧化磨损、扩散磨损只是在切削的中后期,刀具变钝、切削温度升高后才表现得比较明显。由于后刀面上温度偏高,氧化磨损、扩散磨损现象更为突出。

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(责任编辑胡亚敏)