硬质合金刀具扩散磨损机理研究

1前言

采用硬质合金工模具(包括塑性成形模具和切削加工的刀具)加工金属制品是提高模具使用寿命的主要途径。目前,硬质合金模具和刀具已在生产中广泛应用,并取得明显的效果,例如用于纯铝和紫铜冷挤压的硬质合金模具寿命已达到200万次,用于钢零件挤压的硬质合金模具寿命也达到10万次以上。用于多工位级进模的硬质合金冲裁凸凹模寿命一般可达1亿次,最高可达3亿次。用于铝合金切削加工的刀具耐用度可达180～200分钟(以已加工表面粗糙度达到Ra0.63&mirco;m作为刀具失效标准)。为了深入了解硬质合金的磨损特性及其与加工对象和加工条件的关系,充分发挥硬质合金工模具的抗磨损性能,本文针对硬质合金刀具的扩散磨损机理,通过实验进行研究。

2硬质合金工模具的扩散磨损机理

硬质合金工模具加工金属制品时,会发生摩擦磨损、粘结磨损、边界磨损、相变磨损、扩散磨损等各种磨损。扩散磨损就是工件在加工过程中,工模具与工件表面在高温或高压下,相互紧密贴合,并发生相互吸引和粘着,致使工模具与工件表面的材料发生相互扩散,造成表面合金元素的贫化或富化,导致工模具表面与基体的成分发生差异,弱化了工模具表面的抗磨损性能,加快了磨损速度,从而降低了工模具寿命。具体对硬质合金而言,则是硬质合金中的粘结相原子向工件材料扩散,硬质碳化物部分分解并扩散到工件表面,使硬质合金材料表层产生更多微孔,粘结强度降低。同时,工件材料中的原子(例如铝质工件中的铝原子)扩散到工模具表层,改变了工模具表面层的物理机械性能,从而导致工模具表层材料的剥落,加速工模具的磨损。

3试验条件

为了研究硬质合金刀具的扩散磨损机理,进行了硬质合金刀具切削铝质工件的实验。选用湖南省株洲硬质合金厂生产的4种牌号硬质合金刀片。1号刀片YD05和2号刀片YM051是以钴为粘结相并添加一些其他硬质碳化物或氧化物的WC—C0系列超细晶粒硬质合金；3号刀片YN05和4号刀片YN10则是以镍为粘结相并添加部分碳化钨和稀土元素碳化物(TaC,NbC等)的碳化钛(TiC)基硬质合金(各刀片的几何角度见表1)。在HY—025型高精度专用车床上进行高速薄切削铝合金(LY12R)试验。试验中采用干切削,取进给量f=0.1mm/s,切削厚度aP=0.1mm,1～3号刀片的切削速度为300m/min,4号刀片的切削速度为200m/min,并以已加工表面粗糙度Ra=0.63µm作为刀具失效的标准,测定了各刀片的耐用度(即从开始削到刀具失效的时间),详见表1。

表1 不同切削条件的刀具耐用度
刀片号 前角(°) 主后角(°) 副后角(°) 主偏角(°) 副偏角(°) 刃倾角(°) 切削时间(min) 耐用度(min) 1 7 6 6 15 5 0 215 140 2 10 8 6 45 5 0 455 120 3 7 6 6 10 5 0 87 45 4 9 6 5 7 5 0 80 40

试验所用工件材料为铝合金LY12R,即铝与铜、镁、锰的合金,其化学成份详见表2。

表2 工件材料LY12R的化学成份(%)
元素 铜 镁 锰 杂质 铝 质量分数 3.8～4.9 1.2～1.3 0.3～0.9 <1.5 91.4～93.2

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