一种用于难加工材料高效切削的表层合金化弱化处理辅助加工方法

摘要

本发明提供一种用于难加工材料高效切削的表面去除层合金化弱化处理辅助加工方法，能够显著提高工件材料切削加工性和表面加工质量、降低切削能耗并减缓刀具磨损等目的，本发明提出的技术方法灵活方便，可以从本质上改善工件材料切削加工性差的难题。本发明采用的技术方案包括下列步骤：a)根据加工要求，确定工件材料弱化处理层厚度及合金元素类别与渗入量；b)利用渗合金设备处理被加工材料表面，优化渗合金工艺参数获得设定渗合金层厚度和所需合金元素渗入量；c)对工件材料渗合金层进行切削加工；d)评价难加工材料切削加工性的改善效果。本发明适用的工件材料包括塑性难加工材料和脆性难加工材料等。步骤简单、操作方便、实用性强。

权利要求

1.一种用于难加工材料高效切削的表层合金化弱化处理辅助加工方法，其特征在于，包括：对难加工材料进行渗合金处理，使其表面弱化；所述渗合金处理中，所需渗入合金元素及渗入量利用第一性原理和元素扩散动力学理论，以及第一性原理计算仿真软件VASP或WIEN2k进行确定；所述渗合金处理中，渗入元素为硫，渗入量为0.08～0.12％；

对表面弱化处理后的难加工材料进行切削加工，即得；

所述难加工材料为镍基高温合金。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渗合金处理采用的渗合金设备包括：辉光离子渗合金设备、离子注入设备、等离子体渗入设备或磁控溅射仪。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切削加工时采用的切削深度小于或等于工件材料渗合金层厚度，材料表层总切除量与弱化处理层厚度相等。

说明书

一种用于难加工材料高效切削的表层合金化弱化处理辅助加

工方法

技术领域

[0001] 本发明属于难加工材料高效切削加工领域，特别涉及一种用于难加工材料高效切削的表面去除层合金化弱化处理辅助加工方法。

背景技术

[0002] 随着航空航天、电力装备以及新能源产业等高端装备制造的迅速发展，对零部件服役性能的要求不断提高，导致难加工材料的应用比例越来越高，而难加工材料的高效率、高质量和高精度切削加工为制造业发展带来了巨大挑战。

[0003] 不同材料的切削加工性是由材料成分、微观组织以及力学性能等材料属性决定的，而导致材料切削加工性差的共性原因主要包括材料高温强度高、导热性能差、塑性变形大等，从而导致切削能耗高、刀具磨损剧烈等问题，并且形成的连续切屑易与刀具缠结划伤加工表面，影响自动化加工。

[0004] 改善难加工材料切削加工性的手段，除了改进刀具材料、刀具结构或切削工艺等被动控制方法之外，可以通过改变被加工材料自身的化学成分、相组分、晶体结构、晶间夹杂或孔隙等因素，从而改变被加工材料的物理力学性能，进而改善难加工材料的切削加工性，实现其高效率、高质量和高精度切削的主动控制。

[0005] 付宏鸽关于《高速钢刀具表面PCVD复合渗镀强化研究》利用PCVD复合渗镀技术对 W6Mo5Cr4VZ(MZ)高速钢刀具进行表面强化处理。研究了未处理及PCVD复合渗镀处理高速钢刀具的表面显微硬度，分析了PCVD前后高速钢刀具的摩擦磨损性能及试样镀层与基体结合力的不同，对PCVD处理前后镀层抗氧化能力进行了初步分析，利用SEM扫描电镜对刀具处理部位进行分析。

[0006] 何利民关于《钛合金磨削加工研究的进展》对国内外在钛合金磨削方面的研究现状进行了概述，详细分析了国内外在磨削钛合金材料时磨削参数的选择、表面质量的控制(即磨削烧伤和砂轮粘附)、高效磨削及磨削过程有限元仿真等，并讨论了我国在钛合金磨削加工方面亟待解决的问题。

[0007] 但现有技术中对通过难加工材料表层弱化来提高其加工效率的问题未有涉及。

发明内容

[0008] 为了克服上述不足，本发明提供一种基于表面去除层合金化弱化处理辅助加工的难加工材料高效加工技术，能显著提高难加工材料的加工效率和加工质量，实现切屑形态的有效控制，大幅度降低加工能耗和刀具磨损。

[0009] 本发明拟采用表面合金化处理技术手段(如专利ZL87104626.1提出的“双层辉光离子渗金属炉”以及专利ZL90103841.5“加弧辉光离子渗金属技术及设备”提出的工艺手段)，通过工件材料表面去除层渗入合金元素实现难加工材料的弱化处理，从而改善材料切削加工性以提高其切除效率和加工质量。

[0010] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0011] 一种用于难加工材料高效切削的表层合金化弱化处理辅助加工方法，包括：

[0012] 对难加工材料进行渗合金处理，使其表面弱化；

[0013] 对表面弱化处理后的难加工材料进行切削加工，即得。

[0014] 现有的难加工材料加工技术，大多是通过对刀具表面强化来提高切削效率，但也存在成本高、加工难度大等问题，为此，本申请对不同难加工材料切削过程中晶体结构的变化规律和影响因素进行了系统研究，提出了一种通过对难加工材料表层弱化来降低其加工难度的方法，并通过大规模实验摸索发现：采用渗合金处理进行难加工材料的表面弱化不仅加工效率高，还能有效降低难加工材料的表面粗糙度和加工能耗。

[0015] 优选的，所述难加工材料包括塑性难加工材料和脆性难加工材料。

[0016] 更优选的，所述塑性难加工材料包括：镍基高温合金、钛合金。

[0017] 更优选的，所述脆性难加工材料包括：陶瓷、半导体、单晶体。

[0018] 优选的，所述渗合金处理采用的渗合金设备包括：辉光离子渗合金设备、离子注入设备、等离子体渗入设备或磁控溅射仪。

[0019] 现有的辉光离子渗金属炉可进行Ti、Al、Ni、W、Mo等单元渗或多元共渗，但本申请研究发现：对于含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金而言，采用硫元素作为渗入元素时，对镍基合金的表层弱化效果最优。

[0020] 研究表明：若硫元素的渗入量小于0.08％，无法有效地实现对工件的表层弱化，切削能耗仍较高，若硫元素的渗入量大于0.12％，继续增大硫元素用量，切削能耗变化不大，工件加工表面粗糙度略有增加，因此，本申请优选的，硫元素渗入量为工件表层元素总质量的 0.08％～0.12％，以有效降低工件的切削能耗和表面粗糙度。

[0021] 优选的，所述渗合金处理中，所需渗入合金元素及渗入量利用第一性原理和元素扩散动力学理论，以及第一性原理计算仿真软件VASP或WIEN2k进行确定。

[0022] 优选的，所述切削加工时采用的切削深度小于或等于工件材料渗合金层厚度，材料表层总切除量与弱化处理层厚度相等。

[0023] 本发明还提供了任一上述的方法加工的难加工材料。

[0024] 本发明还提供了渗合金处理在降低难加工材料切削后的表面粗糙度中的应用。

[0025] 本发明还提供了渗合金处理在降低难加工材料切削能耗中的应用。

[0026] 本发明的有益效果

[0027] (1)本发明使用的渗合金设备，在设定渗合金工艺参数下(如辉光离子渗合金工艺中的电压和渗入合金靶材)，渗入合金靶材被激发产生高速运动离子束，轰击工件表面一定时间，使工件被去除层材料结构发生变化，包括表层晶粒尺寸、晶格位向和晶间夹杂以及相变等。在表层渗入设定的合金元素后，表层材料的晶间夹杂增多、晶界能降低、原始物相转变为晶间弱化相，降低了工件表层材料强度和塑性性能，实现了工件材料塑脆性能的定向调控，从而达到提高工件材料切削加工性和表面加工质量、降低切削能耗并减缓刀具磨损等目的。这种方法灵活方便，可以从本质上改善工件材料切削加工性差的难题。

[0028] (2)本发明处理方法简单、切削效率高、实用性强，易于推广。

附图说明

[0029] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0030] 图1合金渗入改善难加工材料切削加工性流程示意图(a)工件材料原始组织结构，(b) 工件材料表层渗合金处理，(c)渗合金层厚度及合金元素含量的定量控制，(d)渗合金层切削去除；

[0031] 图2以镍基合金Inconel 718为工件材料进行渗硫后的表层微观组织结构其中，左图为晶体结构示意图，右图为电荷分布模拟结果。模拟结果是在硫含量占表层元素总质量的0.1％时获得的，根据电荷分布模拟结果可获得表层材料弱化程度；

[0032] 图3渗合金处理后形成的固溶体结构示意图(a)间隙固溶体，(b)置换固溶体；

[0033] 图4工件材料表层渗合金处理后形成的置换固溶体晶体结构示意图；

[0034] 图5工件材料表层渗合金弱化处理前后的加工表面形貌对比(a)处理前，(b)处理后；

[0035] 图6工件材料表层渗合金弱化处理前后的切削力对比。

具体实施方式

[0036] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0037] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0038] 工件材料为镍基高温合金或钛合金等难加工材料。首先，依据第一性原理和元素扩散动力学理论分析结果，获得能够弱化工件材料表层的元素类别，并优化确定合金元素渗入量。其次，将样品置于渗合金处理设备中进行表层合金化处理，根据加工要求(切削深度等)，施以一定的表层合金化处理时间。通过合金化弱化处理，样品表层的晶体结构(包括表层晶粒尺寸、晶格位向和晶间夹杂以及相变等)发生变化，使表层材料晶间夹杂增多、晶界能降低、原始物相转变为晶间弱化相，实现工件材料塑脆性能的定向调控，弱化工件被去除层材料的力学性能，有效提高工件材料的切削加工性和表面加工质量、降低切削能耗并有助于减缓刀具磨损；同时，工件材料性能转变易于实现碎断切屑形成，保证切削过程的自动化运行。

[0039] 下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明。

[0040] 一种用于难加工材料高效切削的表面去除层合金化弱化处理辅助加工技术，包括下列步骤：

[0041] (1)根据加工参数(切削深度等)要求，确定工件材料表层的弱化处理层厚度及所需渗入合金元素类别与渗入量；

[0042] (2)利用渗合金设备处理被加工材料表面，优化渗合金工艺参数获得设定渗合金层厚度和合金元素渗入量；

[0043] (4)对工件材料渗合金层进行切削加工；

[0044] (5)测试加工表面质量，观察切屑形态，计算切削能耗等。

[0045] 所述的用于难加工材料高效切削的表层合金化弱化处理辅助加工技术，其中的步骤(1) 中，确定所需渗入合金元素及渗入量时需利用第一性原理和元素扩散动力学理论，以及第一性原理计算仿真软件VASP或WIEN2k(或其他具有类似仿真功能的软件)。

[0046] 所述的用于难加工材料高效切削的表层合金化弱化处理辅助加工技术，其中的步骤(2) 中，渗合金设备可以是辉光离子渗合金设备、离子注入设备、等离子体渗入设备或磁控溅射仪等设备或仪器。

[0047] 所述的步骤(3)中，切削加工时采用的切削深度小于或等于工件材料渗合金层厚度，材料表层总切除量与弱化处理层厚度相等。

[0048] 实施例1

[0049] 本实施例采用的难加工材料为镍基高温合金Inconel 718。

[0050] (1)以切削深度为0.05mm为加工要求，渗合金层厚度控制为0.05mm，利用第一性原理计算仿真软件VASP进行模拟，模拟结果为：选用硫元素作为弱化工件材料表层的合金元素，硫元素渗入量为工件表层元素总质量的0.1％。

[0051] (2)使用离子渗炉处理工件材料表层，通过控制离子渗炉的电极电位(源极与阴极电位差为300V)和渗入时间(25min)，获得模拟结果所要求的硫元素渗入量及渗透层厚度(即 0.05mm)。

[0052] (3)使用涂层硬质合金刀具(型号：SNHX12L5PZTNGP，涂层材质：KC725M))对工件材料渗合金层进行切削加工，切削深度为0.05mm，切削方式为直角切削，切削速度为100 m/min。

[0053] (4)观察渗合金层切屑形态。相比未弱化处理的原工件材料(实施例2)切削，切屑形态由连续带状转变为碎断状，加工表面粗糙度Ra为0.4454μm，平均切削能耗为2.565GJ/m3，切削加工性得到显著改善。

[0054] 实施例2

[0055] 本实施例采用的难加工材料为镍基高温合金Inconel 718。

[0056] (1)使用涂层硬质合金刀具(型号：SNHX12L5PZTNGP，涂层材质：KC725M))对镍基高温合金Inconel 718工件进行切削加工，切削深度为0.05mm，切削方式为直角切削，切削速度为100m/min。

[0057] (4)观察渗合金层切屑形态，切屑形态为连续带状，加工表面粗糙度Ra为0.524μm，平均切削能耗为3.42GJ/m3。

[0058] 通过对实施例1、2工件材料表层弱化处理前后的加工表面形貌和切削力对比可知(如附图5和附图6所示)，相比未弱化处理的原工件材料切削，渗合金处理工件的切屑形态由连续带状转变为碎断状，加工表面粗糙度降低15％，切削能耗降低25％，切削加工性得到显著改善。

[0059] 最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。