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三种涂层钻头钻削不锈钢的切削性能研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-11-27  浏览次数:76 选择视力保护色:

[摘要]  中华不锈钢网的报道:为适应现代切削加工高速、高效、高精度的要求,刀具新材料、新品种层出不穷,其中涂层刀具的发展尤为迅速

  中华不锈钢网的报道:为适应现代切削加工高速、高效、高精度的要求,刀具新材料、新品种层出不穷,其中涂层刀具的发展尤为迅速。我国自八十年代开始生产和使用高速钢涂层刀具(涂层材料为TiN和TiC),其切削效率比未涂层高速钢刀具提高1.5~10倍。

  Yong等人对TiN涂层高速钢钻头的钻削性能进行了研究,证实钻头寿命与TiN涂层的厚度呈线性增加关系,同时发现TiN的结晶方向和硬度对钻头寿命没有影响。由于国内外专业期刊中关于不同涂层钻头钻削时对轴向力和扭矩的影响方面的报道很少,为此,本文通过钻削试验,观察三种不同涂层高速钢钻头钻削不锈钢(牌号304)时轴向力和扭矩值的变化,并分析探讨不同涂层和钻削条件的2钻削试验装置和试验步骤为了观察不同涂层钻头在钻削时对所产生的轴向力与扭矩的影响,试验中采用了三种经不同涂层处理的钻头,即TiN单层涂层钻头、TiN表面多层涂层(TiN/TiCN/TiN/TiCN/TiN表面,共5层涂层)钻头和TiCN表面多层涂层(TiN/TiCN/TiN/TiCN/TiN/TiCN表面,共6层涂层)钻头,三种涂层钻头的每层涂层厚度为3m涂层方法均采用物理气相沉积法(PVD法)。

  如图所示,钻削试验装置包括摇臂钻床、测力仪、电荷放大器和TEACDR-F1型数位记录仪。钻削试验块由自制夹具固定后放在测力仪上方,测力仪利用三个分开120度的夹具固定在钻床工作台上。

  钻削力试验在摇臂钻床上进行,试验块置于安装在测力仪上的自制夹具上,利用压电式四轴向测力仪测量钻削时产生的轴向力和扭矩,轴向力和扭矩信号经电荷放大器放大后,用TEACDR-F1型数位记录仪记录。

  图钻削试验装置示意图0.12mm/r,工件材料为304不锈钢(化学成份为12%Ni)干式切削。

  在上述条件下观察不同涂层钻头钻削时所产生的钻削力,同时,为了观察钻削条件对钻削力的影响,在固定主轴转速、改变进给速度以及固定进给速度、改变主轴转速的条件下进行钻削试验,钻孔深度保持在30mm.3钻削试验结果与讨论3.1不同涂层钻头对钻削力的影响在钻削试验中,三种不同涂层钻头钻削304不锈钢时产生的平均轴向力和扭矩值如表1所示。

  中华不锈钢网的报道:1三种涂层钻头钻削不锈钢时的平均轴向力与扭矩值涂层类型轴向力(N)TiN单层涂层TiN表面多层涂层TiCN表面多层涂层由表1可知,用三种不同涂层钻头钻削304不锈钢时,TiN单层涂层钻头的轴向力和扭矩最大,而TiN表面多层涂层钻头的轴向力和扭矩最小。其原因为:对于表面顶层涂层同为TiN的单层和5层涂层刀具而言,因TiN与TiCN均为柱状结构(ColarStructure),且TiN与TiCN结合性能非常好,若将TiCN涂覆在TiN之上,则TiCN会析出更细的晶粒结构/4.此外,TiN具有热珊(ThemalBarrier)效应,可防止钻削时产生的大量切削热传递到高速钢刀具基体上,从而可避免产生刀具热软化现象。同时,由于TiCN的导热系数较TiN低,故在钻削304不锈钢时,TiCN可比TiN更好地阻隔热量传导到高速钢底材上,且因5层涂层较单层涂层多出两层TiCN因此其隔热效果更好。对于两种多层(层和6层)涂数低于TiN,理论上6层涂层刀具应比5层涂层刀具具有更佳切削效果。但在钻削导热性较差的304不锈钢时,在钻尖部分易产生高热,若此时外部能提供的氧气速率低于或等于6层涂层刀具表面(TiCN)和底材扩散出的碳速率时,在6层涂层刀具表面会产生氧化物(CO和CO2)。因扩散作用而造成6层涂层刀具表面产生的空碳晶格,则会被氮元素取代,并在6层涂层刀具表面形成TiN组织。此外,若外部能提供的氧气速率高于由6层涂层刀具表面(TiN)和底材扩散出的碳速率时,则6层涂层刀具和底材表面会产生脱碳(Decarbonization)现象6,容易造成刀具表面产生积肩瘤,影响刀具的钻削性能。对于5层涂层刀具而言,由于其表面涂层(TiN)会与底材部分扩散出的碳元素化合,产生TiC结构(化学反应式为TiN+C―TiC+N2/2),故可相对提高其对304不锈钢的钻削性能。

  3.2进给速度对钻削力的影响固定主轴转速(2.0r/s),改变进给速度(分别为0.07mm/r、0.12mm/r和0.21mm/r)用不同涂层钻头钻削304不锈钢时所产生的平均轴向力和扭矩值见表2、表3、表4.表2TiN单层涂层钻头的钻削力和扭矩值进给速度(mm/r)轴向力(N)扭矩(N.表3TiN表面多层涂层钻头的钻削力和扭矩值进给速度(mm/r)轴向力(N)扭矩(N.表4TiCN表面多层涂层钻头的钻削力和扭矩值进给速度(mm/r)轴向力(N)扭矩(N.由表2~表4可知,轴向力和扭矩值随进给速度的增加而增大。

  3.3主轴转速对钻削力的影响在进给速度为0.12mm/r,主轴转速分别为1.4r/s、2.0r/s和2.6r/s的条件下,不同涂层钻头钻削304不锈钢时产生的平均轴向力和扭矩值见表5、层刀具而言虽然lim的微硬度高a于哝。,身擦系秘表饫表7.。Allrightsreserved,http://www.cnki.net表5TiN单层涂层钻头的钻削力和扭矩值主轴转速(/s)轴向力(N)表6TiN表面多层涂层钻头的钻削力和扭矩值主轴转速(/s)轴向力(N)表7TiCN表面多层涂层钻头的钻削力和扭矩值主轴转速(/s)轴向力(N)由表5~表7可见,轴向力和扭矩值随转速的增加而降低,但变化范围很窄。

  根据钻削304不锈钢的切削试验结果,可得出以下结论:在转速相同(2.0i/s)、进给速度变化的条件下,三种不同涂层刀具的轴向力和扭矩值会随着进给速度的增加而增大;轴向力和扭矩值在进给速度为0.07nm/i时最小,进给速度为0.21mm/i时最大。

  研究用马氏体系不锈钢SUS4202的化学成分含C0.3%~0.4%,Si0.5%Mn0.5%Ci.13%,Cu2%~4%,N0.02%该钢由300kg真空熔炼炉炼成,钢锭热轧成板材,经过时效处理后冷轧、退火,制成厚3mm的冷轧退火板,进一步淬火再经400砂纸研磨加工。用扫描电观察时效处理后的金属组织,用维氏硬度计测定材料硬度,运用各种细菌的菌液滴下法评定不锈钢的抗菌性。研究结果证明:(1)含C 3%的马氏体不锈钢,经过1293~1373K X1min均热处理后淬火,其硬度为580~600HV30.含3%Cu的马氏体系不锈钢经过1253~1333K温度范围淬火后,具有优良的抗菌性,但均热温度超过1333K时抗菌性就会减低。另一方面,含Cu2%的不锈钢无论采取任何淬火温度都得不到足够高的抗菌性。(3)含C0.3%和Cu3%的钢,淬火处理温度低于1273K而且保温时间在60~600s范围内可得到优良的抗菌性,如果处理温度为1293K处理60~300s可得到优良抗菌性,但处理时间超过300s后其抗菌性就有降低的趋势。总之,以SUS4202马氏体不效处理析出e―Cu相而赋与了优良的抗菌性,但是淬火温度若超过1333K不仅不会提高硬度反而会使抗菌性降低,这是因为e-Cu相发生了固溶的结果。

  传统含Cu不锈钢的抗菌性研究的结果表明,经过通常热处理后可表现出一定的抗菌性,但经研磨加工之后其抗菌性就会消失。但3.5%的奥氏体不锈钢经过时效处理和研磨加工之后,能始终保持优越的抗菌功能。

  加银的抗菌不锈钢大多数金属离子都具有很强的杀菌力,但对人类和动物而言只有某些金属离子的抗菌性是比较安全的,其中以银最佳,就安全性合物为载体的银系无机抗菌剂获得了最为广泛的应用。银系无机抗菌剂的抗菌机制在于(1)从抗菌剂中溶出的Ag离子会与细菌的细胞膜及膜蛋白质结合而破坏细菌的立体结构;(2)通过可见光能而产生之活性氧有杀菌效果。

  具有稳定性的金属有银、铜和锌。银器灭菌性能自古以来即为人们所认识,早在公元前一千年前就被人们用作饮水容器以及医疗用具,已有很久的实用历史。抗菌性之发现,是由于溶出金属离子进入细菌细胞内的结果。但是这种金属离子的溶出往往导致金属材料耐蚀性的降低,因此,为了实现兼备耐蚀性和抗菌性的不锈钢,发现添加很少量银就能由于微少的溶出离子而发挥其高度的效果,并且对于不锈钢的加工性等材质性能几乎毫无影响。但有关制造加银钢的经验还几乎没有,一般认为是不可能的。日本川崎钢铁公司独自开发成功往不锈钢中有效地添加银的方法,成功地生产了加银抗菌不锈钢R430AB.还有R430LN―AB是以超低C+N加搬的17不锈钢SUgPoLX为基础,r(添加银的抗菌不锈钢。

  中华不锈钢网的报道:抗菌不锈钢,根据日本抗菌制品技术协会推荐的胶片粘附法所作的抗菌性),具有很强抗菌性的铜或铜合金板材夹在板材与芯材之间。构成决定刀具切割锋利性的刀口部分的芯材,米用高碳马氏体系刀具用不锈钢AUS8;两侧表层材料采用了耐蚀性优良的低碳马氏体系不锈钢SUS410,通过轧制制成抗菌刀具用复合不锈钢板。示出其芯部采用具有优良抗菌性的铜或铜合金板材,而两侧则采用高硬度的耐磨马氏体不锈钢板采用这种复合不锈钢板制成的刀具,在距离刀口数mm的部位暴露出所复合的铜材,这种复合刀具具有如下特征:a)从所暴露的铜层部分溶出铜离子发挥很强的抗菌性。(2)表层材料较软,容易复合和研磨加工。(3)复合钢板的韧性高。(4)多层材料复合结构暴露出的不同色彩具有一定的美观艺术性。(5)由于铜层的冷却效果,进一步提高了形成刀口部分的芯材的淬火硬度。

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