數(shù)控刀具在耐蝕不銹鋼材料零件中的應(yīng)用
2021-12-22 來源：中國航發(fā)貴州紅林航空動力控制科技有限公司 作者：梁瑞敏
摘要：本文針對不銹鋼 Z8CND17-04 材料，采用金相法對零件在最終進(jìn)行疲勞試驗發(fā)生斷裂的質(zhì)量問題進(jìn)行了分析，定性地說明了加工的硬化層是導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生裂紋的原因之一，結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，制定了切削試驗方案，避免了零件表面硬化層的產(chǎn)生，提高了零件的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：不銹鋼；金相；硬度；刀具壽命；硬化層
1、現(xiàn)狀與問題描述
零件材料為法國標(biāo)準(zhǔn)牌號 Z8CND17-04 屬于馬氏體不銹鋼，硬度 HRC36-41，表面粗糙度 Ra0.4，一般車削加工實現(xiàn)比較困難。實際加工選擇肯納刀具公司的刀片DNGP15402KC730。切削速度 111 m/min；進(jìn)給 0.02 mm/s；切深 0.075 mm，零件加工完成后，要求做疲勞試驗。試驗條件為在循環(huán)加載最小載荷 Fmin=-4859 KN，最大載荷Fmax=4083 KN 的作用下，壽命要達(dá)到 733 600 次以上。但是公司加工的零件在試驗進(jìn)行到 110 000 次循環(huán)次數(shù)時靠近大端處發(fā)生斷裂失效。見圖 1 所示。
圖1 活塞斷裂圖
2、 原因分析
2.1 金相分析
從金相顯示裂紋擴展是本次失效的主要原因，從切面可看到鍍鉻層和基體交界面，機加工紋路呈波浪狀，鍍鉻層里的裂紋延伸至基體中并靠近斷裂起始源，機加工表面粗糙度表現(xiàn)為鉻層和基體交界處形成波峰和波谷，在波峰處存在殘余拉應(yīng)力，波谷處存在殘余壓應(yīng)力。大多數(shù)鍍鉻層的裂紋在交界面的波峰處產(chǎn)生，而且圖 2 中硬化層中存在擴展裂紋，初步斷定鍍鉻層里的擴展裂紋是由加工硬化引起的。
圖 2 斷裂橫截面
2.2 對比試驗分析
對比其他供應(yīng)商使用的刀片是 DNMG110404MF1025。我們對所用切削參數(shù)、加工后的金相圖片、維氏硬度進(jìn)行了對比，結(jié)果如下：
從表 1 看出 DNMG11040404MF1025 的刀片幾何圓角，切削速度，進(jìn)給，切深均是 DNGP150402KC730 的 2 倍。且在鉻層和基體交界面顯示平緩，刀片基體心部和表面差只有 22 HV。而我公司交界面呈有規(guī)律的波浪狀（與 0.02 mm/r 的加工狀態(tài)符合），且大多數(shù)鍍鉻層的裂紋在交界面的波峰處產(chǎn)生，且基體心部和表面差有 114HV（已加工表面發(fā)生硬化現(xiàn)象可以通過檢測基體表面和心部的維氏硬度差值來反映）。刀片圓角小，切深、進(jìn)給以及切削速度相對低，當(dāng)切深和進(jìn)給量過小時，刀具的切削刃鈍圓部分在已加工表面單位長度上擠壓次數(shù)增多，硬化現(xiàn)象也會增大。
表1 刀片使用對照表
3、工藝試驗
結(jié)合公司現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，通過改進(jìn)刀具幾何角度和切削參數(shù)來改進(jìn)加工硬化現(xiàn)象，試驗如下：
（1）刀具配置：根據(jù)加工硬化產(chǎn)生裂紋的機理分析，試驗中增大刀具的前角、后角，保持切削刃鋒利，減輕零件表面的加工硬化現(xiàn)象。
（2）切削參數(shù)配置：根據(jù)加工硬化產(chǎn)生裂紋的機理分析，切削速度過大、過小都會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，在滿足零件加工精度的要求下，我們選取了 9 組切削參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行試切削，力求尋求一組最合理的切削參數(shù)。
（3）維氏硬度比較：DNGP150402KC730 這組刀片加工零件表面和心部維氏硬度差異 HV 114，說明在加工后表面產(chǎn)生了硬化，這樣的硬化程度是不可以接受的。
（4）金相比較：從金相圖看出，DNGP150402KC730 這一組刀片產(chǎn)生的硬化層最厚DNMG110404MF1025 這一組刀片產(chǎn)生的硬化層最薄，CCGX120404ALH10 這組刀片產(chǎn)生的硬化層介于上訴兩者之間。可見，刀片配置，切削參數(shù)選擇對零件的表面質(zhì)量都有一定影響，尤其對于高精度不銹鋼材料零件，其基體表面易產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，表面的硬化使得表面脆性增加，嚴(yán)重可導(dǎo)致基體裂紋的產(chǎn)生，隨著裂紋的擴展引起零件疲勞斷裂發(fā)生失效。
（5）實際應(yīng)用效果：綜合各種因素，根據(jù)實際情況選用了表2 中第 7 項的切削條件完成了零件的加工。
表2 工藝試驗表
4、結(jié)束語
零件表面的加工硬化層雖然會增強其耐磨性，但脆性也同時增加，成為發(fā)生裂紋而促使表面破損和疲勞破壞的主要原因，零件的表面殘余應(yīng)力容易使表面產(chǎn)生裂紋，降低零件的疲勞強度。從浩如煙海的刀具品牌中，選擇出物美價廉，同時又適合企業(yè)生產(chǎn)科研的刀具，是令制造業(yè)企業(yè)十分頭痛的事，刀具選型實用、合理、科學(xué)，不僅可以提高生產(chǎn)加工效率，最大限度地發(fā)揮數(shù)控加工設(shè)備的加工潛能。同時，還可以大大縮減企業(yè)刀具消耗，達(dá)到節(jié)約刀具成本的目的。所以說在刀具良莠混雜的情形下刀具選型變得非常關(guān)鍵，選型過程中需要注重性價比，多實踐，多比較。
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