深冷高速鋼絲錐在攻鈦合金時(shí)刀具的磨損機(jī)理及耐用度*

馮志陽　陳玉華　閆獻(xiàn)國　劉岡超　趙曉紅

(①太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030027；②如皋市非標(biāo)準(zhǔn)軸承有限公司，江蘇 南通 226563)

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深冷高速鋼絲錐在攻鈦合金時(shí)刀具的磨損機(jī)理及耐用度*

馮志陽①陳玉華②閆獻(xiàn)國①劉岡超①趙曉紅①

(①太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030027；②如皋市非標(biāo)準(zhǔn)軸承有限公司，江蘇 南通 226563)

分析深冷處理后的EM35高速鋼絲錐在攻鈦合金時(shí)的磨損型式、破損形態(tài)，通過采用不同的攻絲速度攻絲，研究絲錐后刀面的磨損規(guī)律和使用壽命，并繪制了v-T曲線圖進(jìn)而推算出深冷處理后，EM35高速鋼絲錐在攻鈦合金時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式。發(fā)現(xiàn)：攻鈦合金時(shí)粘結(jié)磨損為主要失效形式，氧化磨損和磨粒磨損很小。絲錐經(jīng)深冷處理后主要磨損機(jī)理并沒有發(fā)生改變，但可以細(xì)化晶粒，提高刀具表面硬度，增強(qiáng)表面抗磨性能。與未深冷絲錐相比可提高使用壽命87.5%。

深冷處理；刀具磨損；鈦合金；耐用度

鈦合金由于其很高的比強(qiáng)度，很好的抗腐蝕性和低溫條件下優(yōu)良的力學(xué)性能已經(jīng)普遍應(yīng)用于航空航天、船舶制造和武器制造等方面[1]。但是鈦合金彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)小、冷凝現(xiàn)象嚴(yán)重，這使得鈦合金極難加工[2]。而攻絲又被認(rèn)為是機(jī)械加工中較難的一種加工方式。因?yàn)樵诠ソz過程中，潤滑不充分，排屑難，切削熱聚集等使得孔內(nèi)環(huán)境十分惡劣。所以對鈦合金攻絲會使得高速鋼絲錐極易磨損失效。

深冷處理是在20世紀(jì)中后期才開始廣泛使用的一種工藝，目的是將被處理材料置于-130 ℃以下的低溫環(huán)境中，以改變其內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到優(yōu)良的力學(xué)性能[3]。1965年，Barron對模具鋼進(jìn)行深冷，結(jié)果表明深冷后的模具鋼比未深冷的模具鋼耐磨性提高了2～6.6倍[4],對粉末冶金零件進(jìn)行深冷同樣也得到了優(yōu)良的力學(xué)性能[5]。我國起步較晚，在20世紀(jì)80年代才開始將深冷技術(shù)應(yīng)用到各種材料上。段春也得到了優(yōu)良的力學(xué)性能[5]。我國起步較晚，在20世紀(jì)80年代才開始將深冷技術(shù)應(yīng)用到各種材料上。段春爭等人對W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2等高速鋼進(jìn)行深冷研究表明，多次循環(huán)深冷的效果要好于一次長時(shí)間的深冷[6-7]。閆獻(xiàn)國等人對W9Mo3Cr4V高速鋼進(jìn)行深冷表明不論在回火前后進(jìn)行深冷都能夠提高高速鋼的力學(xué)性能[8]。深冷技術(shù)不但可以穩(wěn)定工件尺寸，細(xì)化碳化物顆粒，降低表面殘余應(yīng)力，而且綠色無污染，價(jià)格便宜，已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)械各個(gè)行業(yè)。本文以EM35高速鋼成品絲錐為研究對象，研究絲錐深冷后在攻鈦合金時(shí)的磨損特征、抗磨性能和使用壽命。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)絲錐是由渭河工模具廠生產(chǎn)的成品粗牙直槽型機(jī)用絲錐(M8),螺距為1.25 mm。精度等級：H2，排屑槽：3槽，絲錐生產(chǎn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB3464.1-2006，材料：EM35高速鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：C 0.91，Si 0.37，Mn 0.28，P 0.026，Cu 0.11，Ni 0.16，Cr 3.98，V 1.92,Mo 4.9，Nb 0.04，W 6.1,Co 4.89。將絲錐分成兩組，每組3支，將第一組絲錐放置于深冷罐中進(jìn)行深冷處理，深冷溫度為-170 ℃，保溫10 h。第二組不做處理。

被加工試件：材料為鈦合金(Ti-6Al-4V)，硬度為33±0.3HRC，規(guī)格為310 mm×205 mm×12 mm，攻絲前已經(jīng)在哈挺GX-600加工中心上完成底孔的加工，底孔直徑為6.8 mm，均為通孔。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1絲錐的壽命試驗(yàn)

用萬木春牌攻絲機(jī)分別對兩組絲錐進(jìn)行攻絲試驗(yàn)，攻絲速度為200 r/min，冷卻液選用鉬絲切削液進(jìn)行手動澆注。絲錐壽命的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照《絲錐壽命試驗(yàn)方法及其驗(yàn)收條件》中的規(guī)定進(jìn)行[9]。其中，后刀面磨損值的測量是在萬能工具顯微鏡上進(jìn)行。

1.2.2絲錐磨損形貌和顯微組織的分析

將壽命終止的絲錐用線切割機(jī)進(jìn)行分割，用SEM掃描電鏡對其切削齒進(jìn)行觀察分析。將絲錐柄部切下進(jìn)行打磨拋光，并用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，約10 s后用無水酒精擦拭吹干。用SEM電鏡對其顯微組織進(jìn)行觀察分析。

1.2.3硬度測量

選用HR-150A型洛氏硬度計(jì)對打磨并拋光的絲錐柄部試樣進(jìn)行硬度測試，在不同的地方連續(xù)測5次，取其平均值。

1.2.4不同轉(zhuǎn)速下深冷絲錐的壽命試驗(yàn)

將絲錐按第一組深冷工藝進(jìn)行深冷處理。用萬木春牌攻絲機(jī)對其進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的壽命試驗(yàn)。切削液采用鉬絲切削液進(jìn)行手動澆注。攻絲速度分別為155 r/min、200 r/min、250 r/min、300 r/min、328 r/min。每組速度選用3支絲錐，每隔7個(gè)孔用萬能工具顯微鏡對其后刀面進(jìn)行磨損的測量。

2　結(jié)果及討論

2.1兩組絲錐壽命的測試和分析

對兩組絲錐進(jìn)行壽命攻絲試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為200 r/min，其結(jié)果如圖1所示，深冷后的絲錐平均壽命為45個(gè)孔，而未深冷的絲錐平均壽命為24個(gè)孔?？梢娚罾涮幚砜梢蕴岣逧M35高速鋼絲錐近87.5%的使用壽命。對兩組絲錐進(jìn)行5次硬度測試發(fā)現(xiàn)，第一組即深冷后的絲錐，平均硬度高達(dá)66.34HRC，而第二組即未深冷的絲錐，平均硬度為65.68HRC?？梢娚罾涮幚鞥M35高速鋼可以提高材料約0.66HRC的硬度。對兩組絲錐5次硬度測試的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較，深冷絲錐為0.21HRC，未深冷絲錐為0.4HRC。由此可見絲錐經(jīng)深冷處理后不但可以提高材料硬度而且使表面的硬度更為均勻。

圖2為未深冷絲錐的金相組織SEM圖片。從圖可以看出未深冷絲錐內(nèi)部的碳化物顆粒較大，最大的碳化物顆粒有5 μm以上，碳化物的形狀也不規(guī)則，多成多邊形，且分布極不均勻。圖3為深冷絲錐SEM圖。可以觀察到材料中含有很多直徑小于1 μm的彌散型碳化物，顆粒多成圓球形且均勻分布于基體中。

深冷后大量彌散型碳化物在基體中析出。這是由于深冷使Fe的晶格常數(shù)有縮小的趨勢進(jìn)而給碳原子的析出提供了動力。碳原子析出后由于周圍環(huán)境溫度過低，所以碳原子擴(kuò)散困難，不易聚集形成大塊狀的碳化物[10]。深冷后原始大塊碳化物消失，二次彌散型碳化物增多，這主要是由于深冷處理使基體中的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，在此轉(zhuǎn)變過程中伴隨著朔性變形，應(yīng)力誘發(fā)碳化物粒子的溶解，所以原始的大塊碳化物減少[11]。

深冷處理使EM35高速鋼中的大塊狀碳化物減小，彌散型的碳化物增多且分布均勻。正因?yàn)樘蓟锏母淖儾攀沟媒z錐表面硬度分布均勻，且具有良好的韌性和耐磨性，提高了絲錐的使用壽命。

2.2絲錐的磨損型式及分析

由于鈦合金彈性模量小、親和力強(qiáng)，切削時(shí)由塑性變形產(chǎn)生的新表面與刀具表面在高溫高壓的條件下緊密結(jié)合。當(dāng)達(dá)到原子間的距離時(shí)就發(fā)生了冷焊。硬度較軟的鈦合金就會被刀具帶走，長期積累便會在刀具前刀面形成積屑瘤，如圖4a所示。刀具與被加工工件相互運(yùn)動，刀具粘結(jié)點(diǎn)處的晶?；蚓ЯＨ菏芾蚣舯粚Ψ綆ё咝纬善瑺畹拿撀洌@便是粘結(jié)磨損，圖5便是輕微的粘結(jié)磨損。由圖可見絲錐經(jīng)深冷后粘結(jié)磨損依然存在。

在圖6中未深冷絲錐切削齒后刀面處出現(xiàn)深淺不一的溝痕，表現(xiàn)為輕微磨粒磨損，它主要由于工件中的硬質(zhì)點(diǎn)或積屑瘤碎片在相互擠壓下對刀具表面形成的劃傷。它是刀具加工不可避免的一種磨損。由于EM35硬度較高，所以只在后刀面出現(xiàn)了少許劃痕。深冷后的絲錐由于硬度的提高其劃痕更淺。

鈦合金攻絲時(shí)，內(nèi)部環(huán)境狹小、切屑排出困難、鈦合金導(dǎo)熱率低等原因，使得攻絲時(shí)鈦合金的局部溫度很高。Co粉明顯氧化的溫度為300 ℃，完全氧化溫度為500 ℃。EM35高速鋼中含有很高的Co元素，所以很容易在刀具表面形成較軟的氧化物(Co3O4、CoO、WO2等)，被工件摩擦掉形成氧化磨損，如圖6所示。

對鈦合金的攻絲是一個(gè)很復(fù)雜的過程，絲錐的各種磨損型式也是交錯其中共同作用。在攻絲過程中絲錐的前刀面與被加工的工件正面接觸，如圖7，在AB處形成巨大的壓力，鈦合金導(dǎo)熱性差使AB接觸面局部溫度很高，且此處空間狹小不易潤滑所以多發(fā)生粘結(jié)磨損，如圖4、5。鈦合金在攻絲過程中回有彈現(xiàn)象，所以在AC處后刀面與工件緊密結(jié)合磨損嚴(yán)重。由于前后刀面磨損的累積導(dǎo)致切削刃A處強(qiáng)度降低，易產(chǎn)生崩刃和撕裂現(xiàn)象使刀具失效，如圖4、6。后刀面CD與工件已加工表面形成一個(gè)楔形空間，利于潤滑、散熱，但也有利于氧氣和切屑的進(jìn)入，所以在C附近會發(fā)生輕微的氧化磨損和磨粒磨損。對試驗(yàn)圖片分析可知絲錐經(jīng)過深冷處理后，可將材料中部分較軟的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[12]，且基體中有大量彌散型碳化物的析出，使其硬度更高，耐磨性更強(qiáng)，可降低部分磨損對刀具的破壞，但對刀具的磨損型式并沒有更多的改變。

2.3深冷絲錐不同速度下的耐用度分布和經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)

將絲錐分別在速度為155 r/min、200 r/min、250 r/min、300 r/min、328 r/min的條件下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，絲錐壽命的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照《絲錐壽命試驗(yàn)方法及其驗(yàn)收條件》中的規(guī)定進(jìn)行。經(jīng)對絲錐后刀面磨損測量后得到絲錐的耐用度分布圖，見圖8。隨著加工孔數(shù)的增多絲錐后刀面的磨損值越來越大。但總體來看，絲錐攻前幾個(gè)孔和失效前的幾個(gè)孔時(shí)其磨損值增大斜率較大。這說明絲錐在初期磨損和最后的劇烈磨損時(shí)期后刀面磨損劇烈。這也符合刀具的磨損規(guī)律。

對絲錐不同速度和在該速度下的切削路程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，經(jīng)對數(shù)換算繪制出了深冷絲錐的對數(shù)v-T曲線圖，如圖9。并用origin軟件對該曲線進(jìn)行擬合，得擬合直線的斜率為-1.019，常數(shù)為3.5。擬合后得出直線方程式為：

lgv=-mlgT+lgCv

(1)

式中：m為指數(shù)，表示絲錐耐用度受切削速度影響的程度；Cv為系數(shù)，大小與加工過程中影響絲錐耐用度的各因素有關(guān)；T為絲錐耐用度，mm；v為切削速度，m/min。

對式(1)方程兩邊取反對數(shù)得：

v=Cv/Tm

(2)

式(2)即為反映v-T關(guān)系的泰勒公式。代入圖9曲線擬合的參數(shù)值得：

v=3.5/T1.019

(3)

式(3)即為深冷后EM35高速鋼機(jī)用絲錐在攻絲速度為3.89～8.24 m/min時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式。

3　結(jié)語

(1)深冷處理可以使EM35成品高速鋼絲錐的使用壽命提高87.5%，硬度提高0.66HRC。深冷處理后原始大塊狀的碳化物消失，出現(xiàn)大量球型彌散的碳化物，使組織更加均勻，這是提高絲錐平均硬度和抗磨性的主要原因。

(2)攻鈦合金時(shí)絲錐主要以粘結(jié)磨損為主，氧化磨損和磨粒磨損為輔。其中粘結(jié)磨損多發(fā)生在前、后刀面靠近切削刃處，氧化磨損和磨粒磨損多發(fā)生在后刀面。深冷后絲錐抗磨性能有一定的改善但磨損失效的形式并沒有改變。

(3)深冷處理后EM35成品高速鋼絲錐在攻絲速度為3.89～8.24 m/min時(shí)的耐用度經(jīng)驗(yàn)公式為：v=3.5∕T1.019。

[1]沈福金.鈦和鈦合金加工技術(shù)的發(fā)展近況[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2011(4):80-83.

Tool wear mechanism and durability in tapping titanium alloy using HSS taps of cryogenic treatment

FENG Zhiyang①, CHEN Yuhua②, YAN Xianguo①, LIU Gangchao①, ZHAO Xiaohong①

(① School of Mechanical and Electrical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030027, CHN; ② Ru Gao Non-standard Bearing Co., Ltd., Nantong 226563, CHN)

EM35 HSS taps are selected as the object which has cryogenic treatment. Wear and fracture mechanisms are revealed in tapping titanium alloy based on experimental and theoretical research. Different speed had been used to study the wear rules of flank surface and tap’s service, the v-T curve is drawn out, and then empirical equation has been worked out for tapping titanium alloy using taps of cryogenic treatment. When tapping titanium alloy adhesive is the main wear mechanism, oxidative wear and abrasive wear are also discovered from experiment but it is lesser. The taps of cryogenic treatment have the same failure mechanisms with usual taps, but it can refine grain, improve the surface hardness and enhance wear-resistance, so compare with the usual taps it can improve the service life of 87.5%.

cryogenic treatment; tool wear; titanium alloy; durability

TG156.91

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275333)