深冷与钝化处理对高速钢丝锥使用寿命的影响
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与常规丝锥相比,经过深冷与钝化双重处理的丝锥使用寿命提高了3倍,在较高的切削速度下效果也非常明显。
近年来,深冷技术引起国内外学者的广泛关注,在车刀、铣刀、钻头等刀具和一些关键零部件上进行探索与研究,并取得了不错的效果。刃口强化技术已成为刀具制造行业关注的重点,各种钝化方法、钝化装置层出不穷,研究发现在涂层刀具制造中使用钝化技术可以减缓涂层脱落提高刀具寿命。本文在传统丝锥制造工艺的基础上进行改进,运用深冷技术和电解强化技术对丝锥进行处理,旨在提高丝锥的使用寿命。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

采用成品M2高速钢3槽机用盲孔丝锥进行试验,规格M8×1.25,精度H2,切削锥角为16°,切削前角10°,后角4°-6°,切削齿为4-5个。被加工材料选用热作模具钢H13,硬度26HRC,在寿命试验前将H13板材铣削成205mm×310mm×12mm的长方体,并在钢板上加工出直径φ6.8mm的底孔,以备攻丝使用。

1.2 丝锥的热处理与深冷处理

在VHQ-112L-06型真空淬火炉上完成丝锥的回火处理,在KDSL-1型深冷罐中完成深冷试验,深冷装置原理图及深冷与回火工艺分别见图1和图2。
图1 深冷装置原理(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图2 深冷及回火工艺(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

1.3 丝锥刃口的电解强化试验

使用TYESM-15型钝化设备对试验丝锥进行钝化。将要钝化丝锥置于2.5%NaOH与8%NaPO3的碱性溶液中用超声波清洗机清洗15min,并用流动清水对丝锥表面进行冲洗。钝化过程主要是将丝锥置于磷酸溶液中进行电解钝化,其中电压为12V、电流10A、极间距离为60mm,主轴钻速120r/min、耗电量300C,钝圆半径R=15μm。将丝锥用流动的清水洗净,并油封保存。

1.4 微观组织结构观察

使用JSM-6510型扫描电子显微镜对钝化前后刀具表面的微观结构进行观察,对深冷前后丝锥的材料进行金相分析。通过对丝锥表面和基体组织的观察分析,探究经过深冷处理和钝化处理后刀具表面的变化。

1.5 攻丝试验

将丝锥分为4组、每组3支进行攻丝试验,第一组:深冷处理+钝化处理;第二组:深冷处理;第三组:钝化处理;第四组:未处理。在攻丝机上对4组丝锥进行攻丝试验,选用乳化液为切削液,攻丝速度分别选用240、320、380r/min。攻丝过程严格按照国标对丝锥寿命进行验收。

2 试验结果及分析

2.1 攻丝试验结果

图3为经四种不同工艺处理的丝锥在速度为240、320、380r/min的情况下的加工孔数,图4为深冷加钝化、只深冷、只钝化三种工艺处理过的丝锥,在不同转速下与常规丝锥寿命的比值,即比值K=(特殊工艺处理的丝锥平均寿命)/(常规丝锥的平均值寿命)。K值反映了该处理工艺对丝锥寿命的提高程度。
图3 不同转速下四组丝锥的加工孔数(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图4 三种处理工艺在不同速度下的寿命增长比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

由图3可知,随速度增加丝锥寿命逐渐降低,但是不论速度为240r/min、320r/min还是380r/min经过深冷与钝化处理过的丝锥,使用寿命都有了大幅提升,其中速度在380r/min时,经过深冷与钝化处理过的丝锥使用寿命较未处理的丝锥提高最多,达3.8倍,速度在320r/min时寿命提升最小,为3.1倍。只经过深冷处理的丝锥其使用寿命在各个速度下都有所提升,但略低于经深冷加钝化处理的丝锥。只经过钝化处理的丝锥在速度较低时(240r/min)其使用寿命提高较多,较未处理丝锥提高了近2倍,但是随着速度提升,使用寿命大幅下降,在320r/min与380r/min的速度下,钝化丝锥与未钝化丝锥相差不大。试验发现,深冷处理和钝化处理都延长了刀具使用寿命,但切削速度对钝化处理的影响较大,一旦切削速度太快钝化效果就会减弱。经过深冷与钝化双重处理的刀具其使用寿命会有很大提高,虽然速度增加会降低使用寿命,但仍比常规M2高速钢丝锥高出许多。

2.2 微观结构观察及分析

如图5所示,经扫描电镜对深冷前后丝锥的显微组织观察,发现未深冷丝锥的碳化物呈大块儿状且分布较少,有的甚至呈多边形状。而经过深冷16h后的丝锥内部碳化物较多,且体积较小,多数在2μm以下,碳化物形状多为椭圆形。弥散型碳化物的析出对提高材料的硬度和抗磨性能有重要作用。对钝化和未钝化的丝锥后刀面进行观察,如图6所示,发现未钝化的丝锥刃口较为锋利,刀具各边棱角分明,刃口处可见许多微小的加工缺陷。在刀具表面还可以清楚地看到因为磨削加工而导致的磨痕。丝锥在钝化后,各边的棱角有所缓和,刀具表面由于磨削加工导致磨痕被消除。对表面进一步观察发现,在钝化的刀具表面产生了许多直径1-5μm的小型凹坑,呈不规则排列,凹坑状的表面形貌给切削液的存储提供了场所,在切削加工时可以有效降低刀具与工件间的粘结磨损,从而提高刀具寿命。
(a)未深冷(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
(b)深冷处理(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图5 高速钢丝锥深冷与未深冷的金相组织

(a)未处理(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
(b)未处理(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(c)钝化处理(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
(d)钝化处理(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图6 钝化与未钝化丝锥后刀面的形貌

通过不同工艺的攻丝试验发现,钝化处理对丝锥材料的内在属性并没有太大改变,仅对丝锥的刃口半径和表面形态进行了改变,当切削速度提高,刀具温度会随之升高造成刀具抗磨性能下降,刃口半径和表面形态难以保持原状,钝化效果不再明显。只深冷的丝锥可以促使材料内部弥散型碳化物的析出,提高丝锥的硬度和抗磨性能,在较高的切削速度下仍然保持了较高的使用寿命,但是丝锥表面的磨痕和刃口处的加工缺陷为裂纹的产生和蔓延提供了条件,对丝锥的精度和寿命产生了一定影响。刀具经过深冷与钝化双重处理后,既提高了材料的抗磨性能,又强化了刃口强度,并且消除了表面加工缺陷,从而使丝锥的平均寿命提高了3倍,切削效果优于只进行深冷处理或钝化处理的丝锥。

3 小结

  1. 深冷处理可以使M2高速钢析出弥散型碳化物,提高丝锥的抗磨性能,钝化处理可以消除刃口处的加工缺陷和表面磨痕,在丝锥表面形成一些小坑,改善了切削条件。
  2. 深冷处理和钝化处理都可以提高M2高速钢丝锥的使用寿命,但是钝化处理对攻丝速度较为敏感,速度太高钝化效果不再明显。丝锥经深冷处理后较为稳定,在不同攻丝速度下均可使丝锥使用寿命提高1.5-3倍。
  3. 与常规丝锥相比,经过深冷与钝化双重处理的丝锥使用寿命提高了3倍,在较高的切削速度下效果也非常明显。
本文作者:冯志阳
原载:工具技术
上载于:2017-1-9 18:27:35

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