作者：Tatsuya SUGIHARA, Toshiyuki ENOMOTO
       摘要：Inconel718合金等鎳基超合金具有耐高溫強度、耐腐蝕等特性，在航空航天、渦輪機等設備應用中有很大需求。由于其機械化學特性，Inconel718合金是一種難切割加工材料，加工刀具的壽命也非常短。近年來，CBN刀具在加工領域的應用頗為廣泛，但對于高速加工Inconel718合金工藝，CBN材料尚有不足。為解決該問題，本研究首先利用Inconel718合金在較大的切割速度范圍內（20m/min-300m/min）做正交切割實驗，以此來研究CBN刀具在高速加工中的磨損機制。實驗發現，當切割速度超過100m/min時，刀具表面的微觀形貌如前刀面上的磨削痕跡對月牙洼磨損有顯著影響。據此，制備了幾種不同表面形態的切割刀具并試驗其切割性能。結果表明經研磨拋光的前刀面比未經磨光的刀具能降低月牙洼磨損40%左右。
       關鍵詞：Inconel718,高速加工,CBN工具,表面形態,磨損
1、引言
       Inconel718是鎳合金和鎳基合金中較為重要的一種合金材料，高溫下具有很好的耐腐蝕、抗氧化性和機械強度；在航空航天、渦輪機和核電廠等領域中應用廣泛。但由于其較低的熱導率，較高的加工硬化性和對加工材料的親和性，Inconel718也是一種難切割材料；因此，在利用傳統燒結碳化鎢刀具加工Inconel718時就需要把切割速度降低至10-50m/min。為克服該問題，出現了加工Inconel718的不同材料。陶瓷刀具適宜于Inconel718高性能切割加工，和硬質合金刀具相比，可提升切割速度3-5倍。近年來，還出現了晶須增強型氧化鋁陶瓷刀具（WRA），利用碳化硅晶須的Al2O3增強體使其切割性能更佳。但這些刀具由于其自發性損壞和不穩定的刀具壽命而局限于半精加工半粗加工工藝。因此，較低切割速度的硬質合金刀具精加工工藝的生產效率低下，加工成本較高。
       立方氮化硼（CBN）近年來廣泛應用于切割刀具材料的使用。CBN具有較高的熱導率，熱硬度和較好的熱穩定性，是一種硬度僅次于金剛石的超硬材料.CBN刀具已經用于鐵質材料的加工，被認為是加工Inconel718合金的主要替代工具。但由于CBN制備成本較高，是普通硬質合金刀具和陶瓷刀具的十倍之多，特別是在Inconel718高速加工工藝中。此外，CBN刀具在Inconel718切割中的磨損特性研究尚不清楚。
       本研究的目的是在高于100m/min速度的條件下提高CBN刀具加工Inconel718時的刀具壽命。在較大的切割速度范圍值內（20-300m/min）對Inconel718進行正交切割實驗，以此來研究分析CBN刀具在不同速度下的磨損機理。根據實驗結果，我們主要研究前刀面的表面微形貌對月牙洼磨損的影響，以及前刀面的表面粗糙度和耐磨性之間的關系。
2、實驗
       利用高含量CBN刀具（CBN含量：93%，粒度2μm）在CNC車床上進行實驗，實驗步驟如圖一所示。工件為2mm厚的Inconel718管。表一為切削參數。采用三種切割速度（20、100、300m/min）進行正交切割實驗直至切割深度為25m；使用水溶性切削液。

表一：切割參數

圖一：實驗裝置

3.1 低速切割下的磨損機制
       圖二為針式輪廓儀測得的CBN刀具在20m/min速度下切割5、15、25分鐘后前刀面的3D幾何形狀，和切割25m后的前刀面2D輪廓。如圖所示，切割5分鐘后，刀具前刀面上出現嚴重的工件材料粘附；且隨著切割的繼續，出現了很明顯的較深的月牙洼磨損。此外，在切割25m后，月牙洼磨損底部出現了和CBN磨粒大小（2μm）相當的粗糙凸起體。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對離子銑加工的磨損前刀面的橫截面進行觀察，以進一步研究其磨損特性，如圖三所示。圖四（a）中，前刀面上形成較厚的粘附層；圖四（b）中，粘附層和刀具基體界面上觀察到較多裂縫，這說明粘附層性能不穩定，在切割過程中反復重組變化；圖四（c）中，刀面上的一些裂縫還滲透至刀具基體，這是造成嚴重月牙洼磨損的主要原因。
       根據以上實驗結果得出CBN刀具低速切割時的磨損機制，如圖五所示。首先，在切割初期刀具前刀面上出現顯著粘附（圖五a）；接著刀面出現裂縫，裂縫隨著切屑流滲透至刀具基體（圖五b）；最后，當粘結層被磨除掉之后，刀具基體被剝落成碎片（圖五c）。圖六為切割25m后前刀面的SEM圖，可以觀察到月牙洼磨損底部有嚴重的切屑粘附，這說明低速切割下的月牙洼磨損是由工件材料和切屑的不斷粘附所致。

圖二：CBN刀具切割5、15、25m后前刀面的3D/2D幾何形狀