數控（kòng）刀具在耐（nài）蝕（shí）不鏽（xiù）鋼材（cái）料零（líng）件中的應用
2021-12-22 來源：中國航發貴州紅林航空動力（lì）控製科技有限公司 作者：梁瑞敏（mǐn）
摘要：本文針對不鏽鋼 Z8CND17-04 材料，采用金相法對零件在最終（zhōng）進行疲勞試驗發生斷裂的質量問題進行了分（fèn）析，定性地說明了加工的硬化層是導致零（líng）件表麵產生裂紋的（de）原因之一（yī），結合公司現有的（de）生產（chǎn）條件（jiàn），製定了切削（xuē）試驗方案，避免了零件表麵硬化層的（de）產生，提高了零件的質（zhì）量及生產效（xiào）率。
關鍵（jiàn）詞：不鏽鋼；金（jīn）相；硬度；刀具壽命；硬化層
1、現狀與問題描述（shù）
零件材料為法國標準牌號 Z8CND17-04 屬於（yú）馬氏體不鏽鋼（gāng），硬度 HRC36-41，表麵粗糙度 Ra0.4，一般（bān）車削加工實現比較（jiào）困難。實際（jì）加工選擇肯納（nà）刀具公司的刀片DNGP15402KC730。切削速度 111 m/min；進給（gěi） 0.02 mm/s；切深 0.075 mm，零件加工完成後，要求做疲勞試驗。試驗條件為在循環加載最小（xiǎo）載荷 Fmin=-4859 KN，最大載荷Fmax=4083 KN 的作用下，壽命要達到 733 600 次以上。但是公司加工的零件在試驗進行到 110 000 次循環次數時靠近大端處發生斷裂失效。見圖 1 所示。
圖1 活塞（sāi）斷裂圖（tú）
2、 原因分析（xī）
2.1 金相分析
從金相顯示裂紋擴展是本次失效的（de）主要原因，從切麵可看到鍍（dù）鉻層和基體（tǐ）交界麵，機加工紋（wén）路呈波浪狀，鍍鉻層裏的裂紋延伸至基體中並靠近斷裂起始源，機加工（gōng）表麵粗糙度表現為鉻層（céng）和基體交界處（chù）形成波峰和波穀，在波峰處存在殘（cán）餘拉應力（lì），波穀處存在殘餘壓應力。大多數鍍鉻層的裂紋在交界麵的波（bō）峰處產生，而且圖 2 中硬化層中存在擴展裂紋（wén），初步斷定鍍鉻層裏的擴展裂紋是由加工（gōng）硬化引起的。
圖 2 斷裂橫截麵
2.2 對比試驗分析
對（duì）比其他供應（yīng）商使用的刀片（piàn）是 DNMG110404MF1025。我們對所用切削參數、加（jiā）工後的（de）金相圖片、維（wéi）氏硬度（dù）進行了（le）對比，結果如下：
從表（biǎo） 1 看出 DNMG11040404MF1025 的刀（dāo）片幾何圓角（jiǎo），切削速度，進給，切深均是 DNGP150402KC730 的（de） 2 倍。且在鉻（gè）層和基體交（jiāo）界麵顯示（shì）平緩，刀片基體心部和表麵差隻（zhī）有 22 HV。而我公司交界麵呈（chéng）有規律的波（bō）浪狀（與 0.02 mm/r 的（de）加工狀態符合），且大多數鍍（dù）鉻層的裂紋在交界麵的波峰處產生，且基體（tǐ）心部和表麵差有 114HV（已加工表麵發（fā）生硬化現象可以通過檢（jiǎn）測（cè）基體表麵和心部的維（wéi）氏（shì）硬度差值來反（fǎn）映）。刀片圓角小，切深、進給以及切削速度相（xiàng）對低，當切深和（hé）進給量（liàng）過（guò）小時，刀具的切削刃鈍圓部分在已加工表麵單位長度上擠壓次數增多，硬化現象也會增大。
表（biǎo）1 刀片使用對照表
3、工藝試驗
結合公（gōng）司現有的生產條件，通過改進刀具幾何角度和切削參數來改進加工硬化現象，試驗如下（xià）：
（1）刀具配（pèi）置：根據加（jiā）工硬化產生裂紋的（de）機理分析，試驗中增大刀具（jù）的前（qián）角、後角，保持切削刃鋒利，減輕零件表麵（miàn）的加（jiā）工硬化現象。
（2）切削參數（shù）配置（zhì）：根據加工硬化產生（shēng）裂紋的機理分析，切削速度過大、過小都會產生加工硬化現（xiàn）象，在滿足零件（jiàn）加工精（jīng）度的要（yào）求下，我們選取了 9 組切削參數數據進行試切削，力求尋求一組最合理（lǐ）的切削參數。
（3）維氏硬度比較：DNGP150402KC730 這組刀片（piàn）加工零件表麵和心部維氏硬度差異 HV 114，說明在加工後表麵產生了硬化，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 這一組刀片產生的（de）硬（yìng）化層最厚DNMG110404MF1025 這一組刀片（piàn）產（chǎn）生的硬化層最薄，CCGX120404ALH10 這組刀片產生的硬化層介於上訴兩者之間。可見，刀片配置，切削參（cān）數選擇對零件的表麵（miàn）質量都（dōu）有一定影響，尤其對於高精度不鏽鋼材料零件，其基體（tǐ）表麵易產生硬化現象，表麵（miàn）的硬化使得表麵脆性增（zēng）加，嚴重可導致基體裂紋的產生，隨著裂（liè）紋的擴展引起零件疲勞斷裂發生失效。
（5）實際應用效果：綜合各種因素，根據實際情況（kuàng）選用（yòng）了表2 中第 7 項（xiàng）的切削條件完成（chéng）了零件（jiàn）的加工。
表2 工藝試驗表
4、結束語
零件表麵（miàn）的加工硬化層雖然會增強（qiáng）其耐磨性，但脆（cuì）性也同時增加，成為發生裂紋而（ér）促使表麵破損和疲勞（láo）破壞的主要原因，零件的表麵（miàn）殘餘應力容易使表麵（miàn）產生裂紋，降低零件（jiàn）的疲勞強度。從浩如煙海的刀具（jù）品牌中，選（xuǎn）擇出物美價（jià）廉，同時又適合企業生產科研的刀具，是令製造業企業（yè）十分頭痛（tòng）的事（shì），刀具選型實用、合（hé）理、科學（xué），不僅可以提高生產加工效率，最大限度地發（fā）揮數控加工設備的加工潛能。同時，還可以大大縮減企業刀（dāo）具消（xiāo）耗，達（dá）到節約刀具成本的目的。所以說在刀（dāo）具良莠混雜的情形下刀具選型（xíng）變得非常關鍵，選型過程中需要注重性價比，多實踐，多比較。
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