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Monel-400热切削工艺参数对刀具寿命和切屑形态的影响研究
工程科学与技术,国际期刊21(2018)371完整文章Monel-400热切削刀具寿命及切屑形态的试验研究Asit Kumar Paridaa, Koukada Maityba印度德里理工学院机械工程系,印度b印度鲁尔克拉国家技术学院阿提奇莱因福奥文章历史记录:2017年3月2日收到2018年4月5日修订2018年4月6日接受在线发售2018年保留字:热加工刀具寿命Monel-400侧面磨损A B S T R A C T在本研究中,已进行了实验研究,以检查通过气体火焰加热的效果,在热车削蒙乃尔-400。Monel-400是一种镍基铜合金,由于其高耐蚀性、高硬度和高温保持能力等特点,广泛应用于航空航天、船舶和发电厂等领域。热加工是解决这一问题的一种新技术,在保证加工质量和降低生产成本的前提下,可以有效地解决这一问题.在不同的切削参数和加热温度下进行加工。讨论了工件温度对刀具磨损、刀具寿命、切屑-刀具接触长度和切屑形态的影响。切削速度随加热温度的提高,刀具寿命比室温提高85%。结果表明,随着进给速度和加热温度的增加,刀具寿命下降,在低切削速度条件下观察到积屑瘤的形成。然而,加热切削深度的影响对刀具寿命的影响不太显著。研究了切屑形貌和切屑厚度特性©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍镍基合金已获得各种工业用途,如化工厂设备、眼镜架、航空航天应用、生物医学和乐器等,由于其所需的特性,例如高耐腐蚀性和高强度。这些材料的加工在工业中面临着巨大的挑战,因为它们的导热性低,产热高,对所有刀具材料都具有化学反应性,这会降低刀具寿命[1]。Monel-400是一种镍铜基固溶体合金,在较宽的温度范围内具有较高的强度和韧性已经提出了加工这些类型材料的新技术,如非常规加工(ECM,EDM等),低温加工和硬车削,但它需要高设置成本和技能劳动力[2]。因此,为了避免这些障碍,已经使用热加工,其中将外部热源供应到材料表面,高于再结晶温度,因此降低剪切强度,降低工具磨损,并增加材料的整体去除 图 1显示剪切强度与*通讯作者。电子邮件地址:asitzone4u@gmail.com(A.K.Parida)。由Karabuk大学负责进行同行审查镍基合金的温度。镍基合金的剪切强度一般在加热温度达到600 ℃左右时降低。加热软化是影响较大的方法与冷却工具相比,可以强化工具材料。不同的研究人员已经实施了各种热强化技术,并发现加热技术的选择可以提高可加工性并降低成本[6]。不同的研究人员对高强度材料进行了等离子体增强加工,他们得出的结论是等离子体辅助加工的优点是提高了材料去除率、刀具寿命、降低了切削力和表面粗糙度[4,7]。研究了感应加热系统[8Maity和Swain[13]研究了使用气体火焰加热热车削淬硬钢时的刀具寿命进行了全析因试验设计,研究了切削参数对刀具寿命的影响规律,发现切削速度对刀具寿命的影响较小,其次是进给量、切削深度和温度,并建立了刀具寿命方程。Davami和Zadshakoyan[6]研究了使用气体的切削工具中的温度生成和加工表面的质量https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.04.0032215-0986/©2018 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestch372A.K. Parida,K.Maity/工程科学与技术,国际期刊21(2018)3711400120010008006004002000温度(°C)使用从供应商(Narendra Steel,Mumbai,India)获得的具有300mm长度和50 mm直径的圆棒的Monel-400作为工件材料。用硬度计对工件的硬度进行了验证(170 HV)。Monel-400的化学组成和机械性能如表1和表2所示。在表3中列出的不同切削条件和工件温度下进行实验。将未涂覆的硬质合金刀片(SNMG 120408)的八个侧面的切削刃用作切削刀具,并且将PSBNR 1616 k16用作刀架(Kennametal)。火焰加热(液化石油气和氧气)用于加热工件,这是热加工的最佳方法之一,因为它需要低投资成本。喷嘴与工件之间的距离为40 mm,并调节压力调节器以保持氧气(30 ml/min)和液化石油气(110 ml/min)的恒定流量。使用自动齿轮装置以避免工件上的不间断加热。用具有测量温度范围(20 °C-1200 °C)的能力的热电偶(Cromel和Cromel)测量工件表面温度, 并 且 使 用 温 度 指 示 器 来 测 量 温 度 ,Fig. 1. 镍基合金的热机械性能[3火焰加热技术结果表明,在热加工和低切削速度下,加工中产生的不连续切屑转变为连续切屑,表面光洁度较好Tosun和Ozler[14]使用回归分析和人工神经网络(ANN)分析了切削刀具的刀具磨损。这些工艺参数对加工输出参数的选择是热加工中的主要问题。研究人员[15帕里达和梅蒂[19]研究了热加工过程中加热对三种镍基合金他们的结论是,加热可以提高切削性能,增加刀具寿命,改善表面光洁度,减少刀具磨损等。Ansari等人[20,21]采用溶胶-凝胶-自燃烧法制备了CuFe12 O19纳米复合材料他们研究了这种材料的表面合成、表征和磁性。他们观察到,六角铁氧体的存在起着重要的生物作用,降低了能耗,对环境友好。使用气体火焰作为热源的优点是成本低且简单,但由于碳颗粒沉积和氧化物的形成,它不能用于加工钛基合金[22]。Lee等人[23]研究了使用混合加工工艺加工高强度材料。他们使用加热和低温冷却来提高刀具寿命。据观察,切削力下降了65%,与加热条件和低温加工过程中略有增加。与单一加工工艺相比,混合技术(低温和加热)加工工艺可使刀具寿命提高约90%。研究了使用火焰加热的热加工的有限元分析[24,25],发现数值结果(切割)在加热时通过接触工件的热电偶来感测。在每次单次运行中,使用新的切割边缘,5分钟,并记录工具磨损。利用光学显微镜测量了不同切削时间下硬质合金刀具后刀面磨损量,并按照ISO 3685标准以0.3mm作为刀具寿命标准。加工蒙乃尔400的热加工装置如图所示。二、3. 结果和讨论在计划实验之前,进行了随机试验,以测量切削力、进给力和径向力及其对切削刀具后刀面磨损和刀具寿命表1实验中使用的Monel-400的化学成分元件NiCuFeSiCSMg%63312.50.50.30.0242.0表2Monel-400的物理和机械性能[26]。属性值密度(gm/cm3)8.8熔融温度(°C)1300抗拉强度(MPa)512屈服强度(MPa)172弹性模量(GPa)179泊松力,切屑厚度)与实验结果非常吻合-通话数据。通过对Inconel 718、Ti-6Al-4V等高强度材料及各种硬质合金的对于Monel-400的加工研究相对滞后。因此,在这项研究中,尝试了研究加工研究Monel-400使用气体火焰加热技术。表3工艺参数和水平。2. 实验程序所有加工试验均在中心机床上进行(HMT班加罗尔)与最大主轴转速1200 rpm。屈服强度极限拉伸强度0200 400 600 800 1000 1200强度(MPa)参数水平低介质高切割速度(m/min)4060100进给速度(mm/rev)0.10.130.15切割深度(mm)0.511.5工件温度(°C)30300600A.K. Parida,K.Maity/工程科学与技术,国际期刊21(2018)371373压力K型热电偶蒙乃火焰火炬主轴自动控制图二. Monel-400热加工实验装置图三. 在室内和加热条件下测量力。100米/分钟的速度,0.13毫米/转的进给速度和切削深度0.5 mm的加热以及室温加工条件。在加工过程中,使用应变计测力计在稳态加工条件下记录力。对于热加工操作,在温度指示装置(ex-300)上设置所°C),并使用火焰炬加热工件。加热过程中工件旋转,使工件表面受热均匀。一旦工件达到所需的温度(ex-300 °C),火焰喷枪自动远离工件,每当工件温度降低时,火焰手柄向工件移动,以保持恒定的温度。工件温度在整个加工操作将工件加热至700 °C,并以工件温度的100 °C间隔记录力。切削力、进给力和径向力与工件温度的关系如图所示 . 3 .第三章。观察到,与室温加工条件相比,当工件温度达到600 °C时,所有力(60%切削力、40%进给力、75%径向力)都大幅降低。由于Monel-400在600 °C的加热温度下的剪切强度降低而导致的所有力的降低。但是,超过600 °C时,力没有显著降低,而是在切削工具暴露于高温时在切削工具上存在扩散磨损。因此,本文选择600 °C作为Monel- 400热加工的最佳加热温度。374A.K. Parida,K.Maity/工程科学与技术,国际期刊21(2018)371605040302010020 40 60 80 100120切割速度(m/min)(一)30ºC300 ºC600ºC2119.51816.51513.5120.350.3 0.8 1.31.8切割深度(mm)(一)30ºC300 ºC600ºCap=0.5mm,T=30°C0.350.30.250.20.150.10.0500 20 4060加工时间(min)(b)第(1)款Vc=40m/min,T=30°CVc=40m/min,T=300°CVc=40m/min,T=600°CVc= 60m/min,T=30°CVc=60m/min,T=300°C Vc = 60m/min,T=600° C Vc =100m/min,T=30°C Vc= 100m/min,T =300° CVc = 100m/min,T=600°C0.30.250.20.150.10.0500 10 20 30加工时间(min)(b)第(1)款ap=0.5mm,T=300°Cap=0.5mm,T=600°Cap=1mm,T=30°Cap=1mm,T=300°Cap=1mm,T=600°Cap=1.5mm,T=30°Cap=1.5mm,T=300°Cap = 1.5mm,T=600°C图四、在进给速度为0.13 mm/rev和切削深度为0.5 mm时,刀具寿命(a)和后刀面磨损(b)随切削速度和工件温度的变化见图6。在切削速度为100 m/min和进给速度为0.13 mm/rev时,(a)刀具寿命(b)与工件温度和切削深度有关的后刀面磨损的变化。50454035302520150.09 0.11 0.13 0.150.17进给速度(mm/rev)(一)0.3530ºC300 ºC600ºC3.1. 不同切削速度下加热温度对刀具寿命的影响如图4(a和b)所示,通过保持切削深度和进给速度恒定,观察到与工件温度和切削速度有关的刀具寿命和相应刀具磨损的变化。对于硬质合金刀具,根据ISO-3685,将0.3 mm的后刀面磨损作为刀具寿命标准。在600°C下,切削速度分别为40、60和100 m/min时,刀具寿命比室温下分别提高85、72和107%与室温相比,加热条件下刀具寿命的增加是由于工件的剪切强度由于在表面上施加热量而降低但当切削速度从40 m/min提高到100 m/min时,刀具寿命分别0.30.250.20.150.10.0500 20 4060加工时间(min)(b)第(1)款f=0.1mm/rev,T=30°Cf=0.1mm/rev,T=300°Cf=0.1mm/rev,T=600°Cf=0.13mm/rev,T=30°Cf = 0.13mm/rev,T=300°Cf=0.13mm/rev,T=600°C f=0.15mm/rev,T =30° C f= 0.15mm/rev,T=300 °C f =0.15mm/rev,T=600°C30、300和600 °C工件温度。 这可以解释为切削速度越高,在切屑-刀具界面处产生的热量越多,从而增加了刀具磨损。在高锰钢的热加工中观察到类似的观察结果[27]。3.2. 不同进给速度下加热温度对刀具寿命的影响参考图5(a和b),与室温相比,在600 °C下加工,在进给速率分别为0.1、0.13和0.15 mm/rev时,刀具寿命分别增加75、76和55%。但是,当进给速度从0.1 mm/rev增加到0.15 mm/rev时,图五.切削速度100 m/min,切削深度0.5 mm时,(a)刀具寿命(b)后刀面磨损与工件温度和进给速度的关系。在30、300和600 °C工件温度下,寿命分别为25、39和33%。这是由于在剪切应力的减少,侧面磨损(mm)刀具寿命(min)侧面磨损(mm)刀具寿命(min)刀具寿命(min)侧面磨损(mm)A.K. Parida,K.Maity/工程科学与技术,国际期刊21(2018)371375见图7。 在(a)30 °C(b)600 °C下加工9分钟后观察到的刀具磨损。见图8。 积屑瘤形成(a)缺口磨损(b)。由于热量没有有效地传递到切削区,所以不能以较高的进给速度到达工件3.3. 不同切削深度下加热温度对刀具寿命的影响研究了切削深度对后刀面磨损和刀具寿命的影响,如图6(a和b)所示。在600 °C的热加工温度下,与室温相比,在0.5、1和1.5mm的切削深度下,刀具寿命分别增加11%、18%和21%。当切削深度从0.5 mm增加到1.5 mm时,观察到在30 ° C、300 ° C和600 °C工件温度下刀具寿命降低17%、16%和10%respectively.it。发现与切削速度和进给速率相比,切削深度在热加工中对刀具寿命的影响最小。3.4. 加热温度对刀具磨损的影响由于Monel-400是一种高电阻材料(能够承受约600 °C的高温),因此使用硬质合金刀片进行加工很容易导致磨损。在室温和加热条件下,后刀面磨损是Monel-400合金加工中的主要磨损(图7)。在以60m/min的切削速度、0.1 mm/rev的进给速率和0.5 mm的切削深度加工Monel-400之后,在室温下,当切削时间为9min时,刀具磨损达到0.4mm,而在工件温度为600 °C时,相同的磨损为0.16mm。在低切削速度和高加热条件下,来自切削工具磨损的部分颗粒扩散并粘附到工件材料上,观察到积屑瘤的形成,并且当切削深度增加时形成缺口磨损,如图8(a和b)所示。在不同的切削速度(40和100米/分钟)和不同的切削深度(0.5,1和1.5毫米)的刀具磨损的特写视图与工件温度显示在图。9.第九条。在室温和加热温度条件下,在低切削速度下均形成积屑瘤,而在较高加热温度条件下则形成扩散磨损。3.5. 加热温度对切屑形貌在不同的加热温度下,在不同的位置测量切屑厚度,并取平均值。随着加热温度的升高,切屑厚度尺寸减小。图10示出了芯片厚度随加热温度的变化。在机械加工过程中,切屑的形成有三个区域。第一区域(剪切)、第二区域(刀具和切屑之间的摩擦)和第三区域(刀具的工作表面和后刀面之间的摩擦)。热加工过程中的温度诱导改变了剪切区[28、29]。观察到,在室温下,芯片厚度尺寸大于在300 °C和600 °C加热条件下的芯片厚度尺寸。图11所示为使用未涂覆的硬质合金刀具在Monel-400的室温和热加工过程中获得的切屑形态。在Monel-400的加工中观察到两种类型的切屑。在室温下加工产生短且不连续的切屑,并且在600 °C的加热温度下,形成连续切屑。在室温和加热温度下形成的切屑大部分是螺旋状的。为了更好地了解芯片特性,376A.K. Parida,K.Maity/工程科学与技术,国际期刊21(2018)371粘着磨损扩散磨损ap=0.5 mmap=1 mmap=1.5 mm积屑瘤形成见图9。 在进给速度= 0.1 mm/rev时,在室内和加热条件下不同切削速度和切削深度下的刀具磨损。在光学显微镜下分析切屑,发现在30 °C时有锯齿切屑形成,但随着加热温度升高到600 °C,锯齿切屑形成减少或接近连续型,如图所示。12分别。切屑的形成增加切削力和刀具磨损,而应用工件材料上的热量减少了切屑,因此增加了刀具寿命。这表明Monel-400热加工时锯齿频率随加热温度的升高而降低。Vc=100 m/min30°C(摄氏度)Vc= 40 m/min600°C600°C30°C(摄A.K. Parida,K.Maity/工程科学与技术,国际期刊21(2018)37137740035030025020015010030 300 600工件温度(°C)见图10。切屑厚度与工件温度。观察到,当在室内以及加热温度下进料速率从0.1 mm/rev变化到0.15 mm/rev时,芯片颜色也变为蓝色。切削参数对切屑形貌有显著影响。研究了工件温度对切屑-刀具接触长度的影响.结果表明,切屑-刀具接触长度随工件温度的升高而增大。如图13所示,随着加热温度增加600 °C,切屑-刀具接触长度从室温下的131.54mm增加到564.86m mm。在热加工中,较长的切屑-刀具接触长度的好处是它降低了作用在刀具上的法向应力,并将热点从切削刃移开[25,30,31]。加工条件30°C 300°C 600°C见图11。 在不同的加热条件下,切削速度= 100 m/min和切削深度= 0.5 mm时的切屑形成。见图12。 芯片的光学视图(a)30 °C(b)600 °C。短筹码长筹码芯片厚度(μm)f=0.13mm/rev,f=0.1mm/rev,f=0.15mm/rev,378A.K. Parida,K.Maity/工程科学与技术,国际期刊21(2018)371图十三. 切削速度= 100 m/min、进给速率= 0.13 mm/rev和切削深度= 0.5 mm时,切屑-刀具接触长度的SEM视图(a)30 °C(b)600 °C。4. 结论本文研究了在三种工件温度下,用无涂层刀具对蒙乃尔400合金进行热辅助切削。切削参数(切削速度、进给量、切削深度)和加热温度对刀具的影响本文研究了Monel-400合金热车削时的寿命、刀具磨损、切屑形态和切屑厚度,所得结果与室温下的结果一致。 可以得出以下结论与室温加工条件相比,在所有加工条件下,随着加热温度的升高,切削力(切削力、进给力和径向力)都有所减少。力的减小是由于材料在高温下由于热软化而降低了剪切强度。与室温相比,在所有加工条件下,Monel-400的加热温度下的刀具寿命增加 在最佳加热条件下,与室温加工条件相比,加热的应用降低了刀具应力和刀具温度。切削速度对刀具寿命的影响最大,其次是进给量和切削深度与加热温度。在低切削速度和高切削深度下,观察到积屑瘤和缺口磨损。在室温下,切屑形成为短螺旋状,而在较高的加热温度下,切屑形成为连续的螺旋状。切屑的锯齿形随着加热温度的升高而在室温条件下,磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损;在加热条件下,随着切削速度和切削深度的增加,磨损机制主要为扩散磨损。随着加热温度的升高,切屑与刀具的接触长度增大,切屑厚度减小引用[1] N. Kribes,Z.Hessainia,文学硕士Yallese,优化加工参数的硬车削满意度函数分析,使用响应曲面法,设计。模型机械系统https://doi.org/10.13140/[2] E.O.作者:J. Yamane,航空发动机合金的机械加工性概述,J. 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