2 試驗(yàn)內(nèi)容與條件

1. 切削試驗(yàn)內(nèi)容
   1. 加工安裝邊的切削試驗(yàn)。
   2. 中介機(jī)匣的圓臺(tái)切削試驗(yàn)(確定加工參數(shù))映僚。
   3. 中介機(jī)匣的開(kāi)槽切削試驗(yàn)(優(yōu)化加工程序)寞竭。
2. 切削試驗(yàn)條件
   1. 試驗(yàn)用設(shè)備：德國(guó)德馬機(jī)床。
   2. 試驗(yàn)用刀具：分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷和Si₃N₄賽阿龍?zhí)沾蓛煞N陶瓷刀片和日本強(qiáng)力夾緊刀柄酣难；銑刀盤直徑：d=31.75mm谍夭，圓刀片的前角和后角均為11°。
   3. 切削方式：三齒端面干銑削憨募，強(qiáng)風(fēng)吹屑紧索。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1. 加工安裝邊的切削試驗(yàn)
   本試驗(yàn)的目的是確定陶瓷刀片的切削性能。由于中介機(jī)匣使用的進(jìn)口材料價(jià)格昂貴菜谣，為節(jié)約成本珠漂，利用報(bào)廢的安裝邊進(jìn)行切削試驗(yàn)。安裝邊材料為No.263尾膊，也屬鎳基高溫合金甘磨，含鎳量與Inconel 718相近，但硬度要低很多(22～25HRC)。分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷刀片和Si₃N₄賽阿龍?zhí)沾傻镀瑢?duì)安裝邊進(jìn)行切削試驗(yàn)济舆，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
   

   圖1 大面積層剝報(bào)廢的刀片

   由表1試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)莺债，雖然切削參數(shù)并不高滋觉，且切削時(shí)間很短，但陶瓷刀片的損壞卻非常嚴(yán)重讼石，出現(xiàn)了大面積層剝(見(jiàn)圖1上部)苇赊，這表明陶瓷刀片并不適合加工安裝邊。由于No.263材料的硬度較軟(22～25HRC)回乞，用陶瓷刀片切削時(shí)易發(fā)生粘結(jié)磨損忠辛，在一定的溫度和壓力條件下，刀具與切屑及工件加工表面接觸處的分子和原子引力大到足以使彼此粘結(jié)在一起夹恨，隨著工件和切屑的運(yùn)動(dòng)哎闻，粘結(jié)界面發(fā)生塑性流動(dòng)與剪斷，有時(shí)會(huì)將刀具材料粘結(jié)到工件上闰芒，造成刀具磨損枚林。此外，由于采用簡(jiǎn)易編程墓运，走刀路線不符合零件形狀郭菜，造成斷續(xù)切削，使刀片發(fā)生崩刃和大面積剝落(見(jiàn)圖1下部)鞍歌。
2. 中介機(jī)匣的圓臺(tái)切削試驗(yàn)
   本試驗(yàn)的目的是確定用陶瓷刀片加工中介機(jī)匣的切削參數(shù)勘伺。中介機(jī)匣的材料為Inconel 718(含鎳量約51%，硬度32～55HRC)褂删。分別采用TiN晶須增韌金屬陶瓷刀片和Si₃N₄賽阿龍?zhí)沾傻镀?07機(jī)匣上進(jìn)行圓臺(tái)切削試驗(yàn)飞醉，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
   

   表2 中介機(jī)匣切削試驗(yàn)結(jié)果 刀片材料 轉(zhuǎn)速n (r/min) 進(jìn)給率f (mm/min) 切深ap (mm) 切削角 (°) 切削時(shí)間 (s) 刀片磨 損情況 TiN金屬陶瓷 3500 716 2 30 70 崩齒嚴(yán)重 Si3N4賽阿龍 陶瓷 4000 1540 2 30 80 刀片半層 剝落 Si3N4賽阿龍 陶瓷 6000 1540 2 30 90 側(cè)刃有崩齒 (未在零件 中)笤妙，刀片半 層剝落 Si3N4賽阿龍 陶瓷 7500 1900 2 30 110 刀片半層 剝落 Si3N4賽阿龍 陶瓷 7500 1800 2 0 138 崩齒嚴(yán)重 Si3N4賽阿龍 陶瓷 7500 2000 3 0 180 磨損不大 Si3N4賽阿龍 陶瓷 7500 2000 3 0 190 磨損不大 (刀片轉(zhuǎn)新 面加工) Si3N4賽阿龍 陶瓷 7500 2000 3 0 190 磨損不大 (刀片轉(zhuǎn)新 面加工)

   圖2 賽阿龍?zhí)沾傻镀p情況

   從表2試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)冒掌，TiN金屬陶瓷刀片不適合加工高溫合金；而Si₃N₄賽阿龍?zhí)沾傻镀瑒t非常適合加工鎳基高溫合金蹲盘。用賽阿龍?zhí)沾傻镀M(jìn)行加工時(shí)股毫，加大切削深度，切削效果反而更好召衔。這是因?yàn)橘惏執(zhí)沾刹捎肁l₂O₃作為耐磨相铃诬，Si₃N₄作為硬化相，具有很高的室溫與高溫硬度以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和抗機(jī)械磨損性能苍凛，在1000°的高溫下仍能進(jìn)行切削趣席。當(dāng)切深增加到3mm時(shí)，刀具與工件的接觸長(zhǎng)度比切深為2mm時(shí)增大，產(chǎn)生的切削熱也顯著增加宣肚，此時(shí)被加工材料在高溫下發(fā)生軟化萝轰，使刀片的切削加工更為容易，工作壽命也相應(yīng)延長(zhǎng)好阎。因此疹咕，陶瓷刀具通常比較適合鎳基高溫合金的高速切削。此外环胸，切削角的變化決定了刀具的進(jìn)刀方向铲恃，對(duì)切削加工性的影響也很大。
   上述切削試驗(yàn)優(yōu)選確定了陶瓷刀片銑削中介機(jī)匣的加工參數(shù)进裹。圖2為采用表2最后一組參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)的刀具磨損情況四雏。
3. 中介機(jī)匣的開(kāi)槽切削試驗(yàn)
   本試驗(yàn)的目的是優(yōu)化中介機(jī)匣的數(shù)控加工程序。切槽加工是中介機(jī)匣加工的難點(diǎn)锥萧，加工余量大百擒，在“島區(qū)”之間進(jìn)行切削需頻繁換向，因此走刀路線的確定和加工程序的優(yōu)化顯得極為重要添镜。在開(kāi)始編程時(shí)唐唉，走刀路線采用“拐直角”的方式(見(jiàn)圖3)。切削試驗(yàn)結(jié)果表明窿锉，該方式在切削換向時(shí)切削力很大酌摇，表現(xiàn)為工件溫度高，機(jī)床振動(dòng)大嗡载，主軸功率利用率達(dá)到80%窑多，陶瓷刀片出現(xiàn)了如圖1所示的大面積剝落與崩刃，其主要原因是陶瓷刀具的強(qiáng)度與韌性相對(duì)較低洼滚，在切削過(guò)程中頻繁換向時(shí)受到交變應(yīng)力的作用埂息，很容易沿晶界產(chǎn)生微裂紋，并逐漸擴(kuò)展遥巴，最后導(dǎo)致刀片碎裂千康。針對(duì)這種情況，我們對(duì)加工程序進(jìn)行了優(yōu)化铲掐，在拐角處應(yīng)減小切削參數(shù)的部位改為 “走圓角”的方式(見(jiàn)圖3)拾弃。試驗(yàn)結(jié)果基本解決了上述問(wèn)題，機(jī)床振動(dòng)減小摆霉，工件溫度降低豪椿，主軸功率利用率約為40%，刀片的磨損情況為正常磨損携栋。
4. 切屑形態(tài)
   鎳基高溫合金為塑性較大的材料祸弥，切屑形態(tài)通常為帶狀屑偎旱。采用陶瓷刀片進(jìn)行高速切削時(shí)，切屑形態(tài)由帶狀屑轉(zhuǎn)變?yōu)樗樾记ǚ鳎@種切屑的形成機(jī)理與普通材料在低速切削時(shí)形成的擠裂切屑有著本質(zhì)的不同地捂。隨著切削速度的逐步提高，切削時(shí)的切屑變形規(guī)律也會(huì)發(fā)生一些變化祖务，切屑的剪切變形逐漸加劇留嫩，剪切區(qū)的滑移逐漸加強(qiáng)，即使是塑性材料彭撑，其切屑形態(tài)也會(huì)逐漸從帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀切屑，進(jìn)而有可能轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧行几鸹琛Ｓ捎谠诟咚偾邢鞯臈l件下切屑由帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧行简诓兀行寂c前刀面的摩擦不再是切削力和切削熱的主要來(lái)源，后刀面處工件材料的彈性變形也將由于變形速度逐漸跟不上切削速度而減小绝鸡，使后刀面的摩擦也隨之減小迂雪，從而對(duì)降低切削力和切削熱產(chǎn)生有利影響。在高速切削條件下舰褪，切削熱來(lái)不及傳遞到工件及刀具上皆疹，大部分熱量由切屑帶走，因此工件和刀具的溫度不高占拍，而切屑在高溫下發(fā)生氧化作用略就，形成特別酥脆的單元切屑(見(jiàn)圖4)。
   中介機(jī)匣的加工為高速干式切削(切削線速度達(dá)到約700m/min)晃酒，采用高壓吹風(fēng)式排屑表牢，排屑情況良好，狀如流星雨贝次。
   

   圖3走刀路線的優(yōu)化

   圖4 高速銑削時(shí)形成的單元切屑

5. 效率及成本
   采用陶瓷刀片對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣進(jìn)行高速加工時(shí)崔兴，由于刀具性能好，切削速度高蛔翅，排屑快速順暢敲茄，因此可大幅度提高生產(chǎn)效率，降低加工成本山析。如中介機(jī)匣的圓臺(tái)切削堰燎，工件毛料大徑為f387mm，高度為63mm使谋，小徑為f354.6mm整诈，當(dāng)切深為3mm時(shí)，表面積為735cm²度攘，切削時(shí)間為3分鐘的金屬去除量可達(dá)到220cm³恒晋，生產(chǎn)效率相當(dāng)可觀。以前采用傳統(tǒng)工藝完成圓臺(tái)銑削、開(kāi)槽銑削需要20多個(gè)小時(shí)止歇，現(xiàn)在采用新工藝僅用2.5小時(shí)即可完成磷兢，僅此一項(xiàng)，就可以降低加工成本4000多元翘辑。

4 結(jié)論

1. 由切削試驗(yàn)結(jié)果(表1狭龄、表2)可知，采用陶瓷刀具進(jìn)行加工時(shí)溜信，必須連續(xù)切削蜘傻，否則刀具磨損很快。
2. Si₃N₄賽阿龍?zhí)沾傻毒叻浅＿m合鎳基高溫合金的切削加工幸双。利用高速干式切削產(chǎn)生的切削熱琅翻，可使被加工材料變軟而改善其切削加工性，而陶瓷刀具仍可保持良好的高溫紅硬性柑贞，這是刀具壽命顯著提高的根本原因方椎。
3. 為了獲得滿意的加工效果，切削參數(shù)的合理選擇十分重要钧嘶。加工編程時(shí)對(duì)走刀路線的優(yōu)化(轉(zhuǎn)角處走圓角)對(duì)于改善刀具磨損狀況棠众、提高刀具壽命作用很大。
4. 采用陶瓷刀具進(jìn)行高速銑削時(shí)有决，切屑形態(tài)為酥脆的單元碎屑闸拿。
5. 采用陶瓷刀具加工發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣是提高生產(chǎn)效率、降低加工成本的有效途徑疮薇。隨著性能先進(jìn)的大功率機(jī)床的引進(jìn)胸墙，陶瓷刀具在我公司將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。