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稀有金属 2015,39(02),152-158 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.02.009
强流脉冲电子束表面改性硬质合金刀具的响应面法优化研究
吕逍 张尧 娄长胜 李国建 王强
沈阳理工大学材料科学与工程学院
东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室
摘 要：
强流束脉冲电子束辐照参数对提高硬质合金刀具切削性能至关重要。本文基于响应面法(RSM)分析了硬质合金刀具在强流脉冲电子束表面改性过程中输入电压、电流和脉冲次数对刀具表面粗糙度和硬度的影响,结合回归统计建立了硬质合金刀具表面粗糙度和硬度的经验公式,揭示了影响刀具切削性能的主导因素,找出输入电压、电流和脉冲次数对刀具切削性能的最佳综合作用效果。结果表明,强流脉冲电子束辐照过程中的输入电压、电流和脉冲次数对刀具表面粗糙度和硬度均具有显著影响。通过建立的表面粗糙度和硬度对输入电压、输入电流和脉冲次数的多元响应面函数,得出最佳优化参数,在此条件下,刀具表面粗糙度为0.167μm,显微硬度值为HV2206。由于强流脉冲电子束辐照降低了刀具表面粗糙度,同时提高了表面硬度,在切削钛合金试验过程中,发现经过电子束辐照,刀具的抗磨损性能显著提高。
关键词：
硬质合金;强脉冲电子束;响应面;切削性能;
中图分类号： TG178
作者简介：吕逍(1982-),女,吉林人,博士,副教授,研究方向:材料表面改性研究;E-mail:penita_lv@hotmail.com;;王强,教授;电话:13700023311;E-mail:wangq@mail.neu.edu.cn;
收稿日期：2014-07-26
基金：国家科技重大专项项目(2012ZX04003-061)资助;
Surface Modification of High Current Pulsed Electron Beam on Cemented Carbide Tools Using Response Surface Methodology
Lü Xiao Zhang Yao Lou Changsheng Li Guojian Wang Qiang
School of Materials Science and Engineering,Shenyang Ligong University
Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials (Ministry of Education) ,Northeastern University
Abstract：
Irradiation parameters of high current pulsed electron beam are vital to enhance the cutting properties of cemented carbide tools. The effect of input voltage,current and pulse times on surface roughness and hardness during the surface modification of high current pulsed electron beam on cemented carbide tools using response surface methodology( RSM) was analyzed,and the empirical formula of surface roughness and hardness of cemented carbide tools was established according to regression statistics; furthermore,the main factor which had influences on cutting performance was revealed and the best comprehensive effect of input voltage,current and pulse times on cutting performance was obtained. The results showed that the effects of input voltage,current and pulse times during irradiation of high current pulsed electron beam on the surface roughness and hardness of tools were significant. The optimal parameters were presented by establishing polynomial equation of response surface methodology between input voltage,current,pulse times,roughness and hardness,and the value of surface roughness was 0. 167 μm and microhardness was HV2206 in this condition. As the surface roughness was reduced and the hardness was increased by irradiation of high current pulsed electron beam on tools,the wear resistance of tools after irradiation was enhanced during the experiment of cutting titanium alloys.
Keyword：
cemented carbide; high current pulsed electron beam; response surface methodology; cutting property;
Received： 2014-07-26
硬质合金刀具以其高硬度、高耐磨性和良好的化学稳定性等特点,广泛应用于金属切削加工领域[1,2,3]。然而,硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不宜兼顾,国内外主要通过细化晶粒和制备硬质合金刀具涂层技术,进一步改善硬质合金刀具的综合切削性能。通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相的晶间表面积可使刀具材料的强度和耐磨性得到提高,然而,目前细化晶粒工艺方法不够成熟,在烧结过程中纳米晶粒容易长成粗大晶粒,同时细晶粒硬质合金的价格昂贵,限制了其应用。硬质合金刀具涂层技术,包括采用化学气相沉积( CVD) 和物理气相沉积( PVD) 技术制备硬质合金刀具表面涂层,该技术结合了基体的高韧性和涂层的高硬度、高耐磨性的优点,既降低了刀具的磨损又保证了基体的韧性,但是涂层和基体间的结合力问题需要解决[4,5]。
近年来,研究人员开始采用高能束作为改良刀具性能的手段,发现经过辐照可以显著提高刀具的耐磨性和使用寿命[6,7,8]。高能束流通过带电粒子在刀具表面的轰击,使材料内部产生晶格缺陷,从而提高表面的机械性能,同时克服了涂层和基体的结合问题。相对于离子束表面改性技术,电子束表面处理具有其独特的优点。电子束注入的能量在电子束的射程范围内,它的作用层深度远大于离子束,可以获得较深的改性层,并且不存在离子束的溅射问题。此外,电子束只是引入了能量而不引入杂质[9]。
采用强流脉冲电子束( HCPEB) 对硬质合金刀具表面进行改性的研究虽有报道,但是由于辐照过程中影响刀具材料表面质量的因素较多,无法建立辐照参数与切削性能之间的联系[10,11]。响应面方法( RSM) 是以实验设计为基础,用于处理多变量问题建模和分析的一套统计处理技术。当实验结果与已知参数间的函数关系不明显时或是隐式时,可以采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系,通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数,解决多变量问题[12,13,14]。
本文将基于响应面法,采用强流脉冲电子束对刀具表面进行改性处理。通过建立以输入电压、输入电流和脉冲次数为参数的硬质合金刀具表面粗糙度、硬度的经验公式,得到各工艺参数对刀具表面粗糙度和硬度的影响规律以及对刀具切削性能的最佳综合作用效果,并提出最佳的表面改性工艺参数,然后通过车铣实验,考察优化参数条件下刀具的切削性能。
1 实 验
1. 1 变量及响应
脉冲电子束主要是通过加速电子束做为能量载体,将能量瞬间入射沉积在工件表面薄层内,形成温度梯度极高的热作用区。辐照过程中采用的工艺参数不同,对材料表层显微组织、相结构和显微硬度等的作用效果将发生变化。本实验通过改变输入电压、输入电流和脉冲次数,考察参数对表面粗糙度和显微硬度的影响。假定以上变量服从正态分布,每个参数选出3个水平,采用BoxBenhnken设计法,以表面粗糙度和硬度作为评价指标( 响应值) ,设计的三因素三水平实验方案见表1。
1. 2 条 件
实验材料选用山特维克公司生产的铣刀片,型号为R390-11T308M-KL的H13A硬质合金刀具。刀具尺寸为11. 0 mm×6. 8 mm×3. 5 mm。经无水乙醇和丙酮超声清洗后,利用俄罗斯引进的Solo强流脉冲电子束装置对材料进行表面改性处理。实验在脉宽为5μs,脉冲频率1 Hz,靶源距离140mm,束斑直径15 mm的条件下,通过改变输入电压、输入电流和脉冲次数,考察参数对刀具表面粗糙度和显微硬度的影响。
表 1 Box-behnken 实验因数及水平Table 1 Box-behnken experimental factors and levels 下载原图
表 1 Box-behnken 实验因数及水平Table 1 Box-behnken experimental factors and levels
刀具表面形貌通过扫描电子显微镜( SEM,S3400,日立) 和激光共聚焦显微镜( OLS4100,奥林巴斯) 进行观察。辐照前后刀具表面粗糙度由激光共聚焦显微镜测量,每个样品测量粗糙度Ra值6次,取6个数据的平均值作为样品的Ra值。切削实验在数控机床( INTEGREX 200Y,马扎克) 上完成,切削材料为TC4钛合金棒料,直径119 mm,实验条件为切削速度( v) 200 m·min- 1,进给量9. 8 mm·r- 1,切削深度0. 4 mm。刀具后刀面磨损量长度( VB) 由超景深三维显微镜( VHX-1000C,基恩士) 测得,每个样品上测量3次,取3个数据的平均值作为VB值。将刀具表面依次经400,600,1000和1500号水磨砂纸预磨,金刚石研磨膏抛光并经超声清洗后,采用显微硬度计( FM-300,FT) 测量显微硬度,所用载荷为0. 5 N,加载时间为5 s。每个样品上测量硬度值4次,取4个数据的平均值作为样品的硬度值。
2 模型建立
2. 1 表面粗糙度影响因素分析
按照Box-Behnken实验设计的统计学要求,进行13组实验,实验设计和结果如表2所示。利用Design Expert软件对表2实验数据进行二次多项回归拟合,可得表面粗糙度y对输入电压( A) 、输入电流( B) 和脉冲次数( C) 的多元响应面函数:
表 2 实验设计及结果Table 2 Experimental design and results 下载原图
表 2 实验设计及结果Table 2 Experimental design and results
表面粗糙度二次回归方程方差分析结果见表3,由表3可知方程差异极显著 ( P < 0. 0001 ) ,模型的R2= 0. 9997,证明模型的拟合程度较好,实验误差小,因此可用该模型来分析和预测输入电压、电流和脉冲次数对刀具表面粗糙度的影响效果。
通过表面粗糙度回归方程所作的响应曲面图及其等高线图如图1所示,由图可评价实验因素对表面粗糙度的交互作用。图1显示随着输入电压的增加,粗糙度具有先减小后增加的趋势; 随着电流的增加,粗糙度减小; 随着脉冲次数的增加,粗糙度先增加后减小。
2. 2 显微硬度影响因素分析
根据表2的结果,利用Design Expert软件对实验数据进行二次多项回归拟合,得到表面显微硬度z对输入电压( A) 、输入电流( B) 和脉冲次数( C) 的多元响应面函数:
表 3 表面粗糙度回归方程方差分析表Table 3 ANOVA analysis table for surface roughness 下载原图
表 3 表面粗糙度回归方程方差分析表Table 3 ANOVA analysis table for surface roughness
图 1 输入电压、电流和脉冲次数对表面粗糙度交互影响的曲面图Fig. 1 Response surface graphs of interaction effect of input voltage,current and pulse times on surface roughness
( a) Interaction effect of input voltage and current on surface roughness; ( b) Interaction effect of input voltage and pulse time on surface roghness; ( c) Interaction effect of current and pulse time on surface roughness
硬度二次回归方程方差分析结果见表4,由表4可知方程差异极显著( P < 0. 0001) ,各因子系数均有意义,模型的拟合度较好,证明模型是合适有效的,可用该模型来分析和预测输入电压、电流和脉冲次数对刀具表面硬度的影响效果。
通过表面硬度回归方程所作的响应曲面图如图2所示。在图2中可以发现随着输入电压的增加,硬度值具有先增大后减小的趋势; 随着输入电流和脉冲次数的增加,硬度值先减小后增大。
表 4 表面显微硬度回归方程方差分析表Table 4 ANOVA analysis table for surface microhardness 下载原图
表 4 表面显微硬度回归方程方差分析表Table 4 ANOVA analysis table for surface microhardness
从以上结果可以看出,输入电压、电流和脉冲次数对刀具的表面粗糙度和硬度均有重要影响,可通过寻找最佳工艺参数,找出降低刀具表面粗糙度,同时提高表面硬度的工作条件。Design Expert软件对实验数据进行优化分析,得出最佳优化参数为: 电压值11 k V,电流值180 A,脉冲次数30次。利用以上工艺参数对材料进行表面改性处理时,得到刀具表面粗糙度为0. 167μm,显微硬度值为HV2206。
3 结果与讨论
将刀具在最优参数条件下辐照后,考察辐照前后刀具的表面形貌和切削性能。图3( a) 和( b)是强流脉冲电子束辐照前后刀具的表面形貌照片,图3 SEM照片显示,刀具在辐照处理前,表面疏松,存在部分孔隙和空洞; 经HCPEB辐照处理后,由于刀具表面迅速升温,电子束提供的热量使材料表层熔化,因此,疏松的表面经过重熔变得致密平整,孔隙和空洞减少。图3( c) 和( d) 是激光共聚焦显微镜下获得的刀具表面3D影像,在图中可以发现,经过电子束辐照后,刀具表面的粗糙度降低。经过激光共聚焦显微镜测量,发现表面粗糙度由原来的0. 316降到0. 167μm。
普通刀具和HCPEB最优参数条件下辐照刀具的磨损曲线如图4所示。辐照后刀具与普通刀具相比,在切削钛合金时,抗磨损性能显著提高。随着切削时间的延长,抗磨损性能差异越显著,切削长度为4292 mm时,经过HCPEB辐照后的刀具抗磨损性能提高了近两倍。切削在磨损初期,由于新刀具表面粗糙度大,以及孔隙和空洞等缺陷,实际接触面积较小,刀具与工件接触点粘结严重,刀具表面粗糙度是主要的影响因素; 由于经过辐照的刀具表面发生重熔,表面变得致密平整,粗糙度降低,因此磨损量降低。随着磨损时间的延长,辐照刀具表面硬度的增加成为其耐磨性提高的主要原因。HCPEB辐照是提高材料表面硬度和耐磨性的有效方法,通过电子束辐照时的快速升温和降温过程,可以起到细化晶粒,改变微观组织结构和缺陷等作用[15,16,17]。在本实验中,经过HCPEB辐照的刀具硬度由辐照前的HV1674提高到HV2206,因此刀具的耐磨性得到了显著提高。
图 2 输入电压、电流和脉冲次数对表面显微硬度交互影响的曲面图Fig. 2 Response surface graphs of interaction effect of input voltage,current and pulse times on surface microhardness
( a) Interaction effect of input voltage and current on surface roughness; ( b) Interaction effect of input voltage and pulse time on surface roughness; ( c) Interaction effect of current and pulse time on surface roughness
图 3 普通刀具和 HCPEB 最优参数辐照后刀具的 SEM 照片; 普通刀具和 HCPEB 最优参数辐照后刀具的 3D 影像Fig. 3 SEM images of normal tool ( a) and tool treated by HCPEB with optimal parameters ( b) ; 3D images of normal tool ( c) and tool treated by HCPEB with optimal parameters ( d)
图 4 普通刀具和 HCPEB 最优参数辐照刀具的磨损曲线Fig. 4 Wear curves of normal tool and tool treated by HCPEB with optimal parameters
4 结 论
1. 应用响应面法建立了硬质合金刀具表面粗糙度和硬度的经验公式,由公式可知强流脉冲电子束辐照过程中的输入电压、电流和脉冲次数对刀具表面粗糙度和硬度均具有显著影响。
2. 通过对实验数据进行优化分析,得出最佳优化参数为: 电压值11 k V,电流值180 A,脉冲次数30次。在最优参数条件下对刀具进行HCPEB辐照,得到刀具表面粗糙度为0. 167μm,显微硬度值为HV2206。
3. 经HCPEB辐照后,发现刀具疏松的表面经过重熔,变得致密平整,孔隙和空洞减少; 表面硬度由辐照前的HV1674提高到HV2206。
4. 由于强流脉冲电子束辐照降低了刀具表面粗糙度,同时提高了表面硬度,在切削钛合金过程中,抗磨损性能显著提高。当切削长度为4292 mm时,经过HCPEB辐照后刀具的抗磨损性能提高了近两倍。
