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超硬刀具在硬車削加工中的應用
文: 來源:中國金屬加工網 時間:2008-11-12 點擊:2228

 涂層的切削性能明顯優于TiN涂層。加工Inconel178的刀具壽命盡管PVD涂層顯示出很多優點,但一些涂層如Al2O3和金剛石則傾向于采用CVD涂層技術。Al2O3是一種耐熱和抗氧化很強的涂層,它能夠將刀具體和切削產生的熱量隔離開。通過CVD涂層技術,還可以綜合各種涂層的優點,以達到最佳的切削效果,滿足切削加工的需要。

  例如。TiN具有低摩擦特性,可減少涂層組織的損耗,TiCN可降低后刀面的磨損,TiC涂層硬度較高,Al2O3涂層具有優良的隔熱效果等。涂層硬質合金刀具與硬質合金刀具相比,無論在強度、硬度和耐磨性方面均有了很大提高。車削硬度在HRC45~55的工件,低成本的涂層硬質合金可實現高速車削。近年來,一些廠家應用改進涂層材料等方法,使涂層刀具的性能有了極大的提高。如美、日的一些廠家采用瑞士AlTiN涂層材料和新涂層專利技術生產的涂層刀片,硬度高達HV4500~4900,可在498.56m/min的速度時切削硬度HRC47~58的模具鋼。在車削溫度高達1500~1600°C時仍然硬度不降低、不氧化,刀片壽命為一般涂層刀片的4倍,而成本只有30%,且附著力好。陶瓷材料

  陶瓷刀具材料隨著其組成結構和壓制工藝的不斷改進,特別是納米技術的進展,使得陶瓷刀具的增韌成為可能,在不久的將來,陶瓷可能繼高速鋼、硬質合金以后引起切削加工的第3次革命。

  陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強度(抗彎強度為750~1000MPa),耐磨性好,化學穩定性好,抗粘結性能良好,摩擦系數低且價格低廉等優點。不僅如此,陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度,1200°C時硬度達到HRA80。正常切削時,陶瓷刀具耐用度極高,切削速度可比硬質合金提高2~5倍,特別適合高硬度材料加工、精加工以及高速加工,可切削硬度達HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵等。常用的有:氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。

  氧化鋁基陶瓷刀具比硬質合金有更高的紅硬性,高速切削狀態下切削刃一般不會產生塑性變形,但它的強度和韌性很低,為改善其韌性,提高耐沖擊性能,通常可加入ZrOTiCTiN的混合物,另一種方法是加入純金屬或碳化硅晶須。氮化硅基陶瓷除紅硬性高以外,還具有良好的韌性,與氧化鋁基陶瓷相比,它的缺點是在加工鋼時易產生高溫擴散,加劇刀具磨損,氮化硅基陶瓷主要應用于斷續車削灰鑄鐵及銑削灰鑄鐵。金屬陶瓷是一種以碳化物為基體材料,其中TiC為主要的硬質相(0.5~2μm),它們通過CoTi粘結劑結合起來,是一種與硬質合金相似的刀具,但它具有較低的親和性、良好的摩擦性及較好的耐磨性。它比常規硬質合金能承受更高的切削溫度,但缺乏硬質合金的耐沖擊性、強力切削時的韌性以及低速大進給時的強度。

  近年通過大量的研究、改進和采用新的制作工藝,其抗彎強度和韌性均有了很大提高,如日本三菱金屬公司開發的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山德維克公司開發的金屬陶瓷刀片新品CT系列和涂層金屬陶瓷刀片系列,其晶粒組織的直徑細小至1μm以下,抗彎強度和耐磨性均遠高于普通的金屬陶瓷,大大拓寬了其應用范圍。立方氮化硼(CBN)

  CBN的硬度和耐磨性僅次于金剛石,有極好的高溫硬度,與陶瓷相比,其耐熱性和化學穩定性稍差,但沖擊強度和抗破碎性能較好。它廣泛適用于淬硬鋼(HRC≥50)、珠光體灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和高溫合金等的切削加工,與硬質合金刀具相比,其切削速度可提高一個數量級。


  CBN含量高的復合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好,其缺點是熱穩定性差和化學惰性低,適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工。PCBN刀具中CBN顆粒含量較低,采用陶瓷作粘結劑,其硬度較低,但彌補了前一種材料熱穩定性差、化學惰性低的特點,適用淬硬鋼的切削加工。

  陶瓷和PCBN刀具切削淬硬鋼的殘余應力在切削灰鑄鐵和淬硬鋼時,可選擇陶瓷刀具或CBN刀具,為此,應進行成本效益和加工質量分析,以確定選擇哪一種。圖3Al2O3Si3N4CBN刀具加工灰鑄鐵后刀面磨損情況,PCBN刀具材料切削性能優于Al2O3Si3N4。但在淬硬鋼干式切削時,Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料。陶瓷刀具有良好的熱化學穩定性,但卻不及PCBN刀具的韌性和硬度。在切削硬度低于HRC60以下和采用小進給量時,陶瓷刀具是較好的選擇。PCBN刀具適于切削硬度高于HRC60的工件,尤其在自動化加工和高精度加工時更為適用。

  除此之外,在相同后刀面磨損情況下,PCBN刀具切削后的工件表面殘余應力也比陶瓷刀具相對穩定。使用PCBN刀具干式切削淬硬鋼還應遵循以下原則:在機床剛性允許條件下盡可能選擇大切深,這樣切削區生成的熱量使得刃前區金屬局部軟化,能有效降低PCBN刀具的磨損,此外,在小切深時還應考慮采用PCBN刀具導熱性差而使得切削區熱量來不及擴散,剪切區也能產生明顯的金屬軟化效應,減小切削刃的磨損。

  超硬刀具的刀片結構及幾何參數刀片形狀及幾何參數的合理確定對充分發揮刀具切削性能是至關重要的。按刀具強度而言,各種刀片形狀的刀尖強度從高到低依次為:圓形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料選定后,應選用強度盡可能高的刀片形狀。硬車削刀片也應選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑,用圓形及大刀尖圓弧半徑刀片粗加工,精加工時的刀尖圓弧半徑約為0.8μm左右。淬硬鋼切屑為紅而酥軟的緞帶狀,脆性大,易折斷,不粘結,淬硬鋼切削表面質量高,一般不產生積屑瘤,但切削力較大,特別是徑向切削力比主切削力還要大,所以,刀具宜采用負前角(go≥-5°)和較大的后角(ao=10°~15°)。主偏角取決于機床剛性,一般取45°~60°,以減少工件和刀具顫振。超硬刀具切削參數及對工藝系統的要求切削參數的選擇工件材料硬度越高,其切削速度應越小。使用超硬刀具進行硬車削精加工的適宜切削速度范圍為80200m/min,常用范圍為10150m/min;采用大切深或強力斷續切削高硬度材料,切速應保持在80100m/min。一般情況下,切深為0.10.3mm之間。加工表面粗糙度低的工件,可選小的切削深度,但不能太小,要適宜。進給量通常可以選擇0.050.25mm/r之間,具體數值視表面粗糙度值和生產率要求而定。當表面粗糙度Ra=0.30.4μm時,采用超硬刀具進行硬車削比用磨削經濟得多。

  對工藝系統的要求除選擇合理的刀具外,采用超硬刀具進行硬車削對車床或車削中心并無特殊要求,若車床或車削中心剛度足夠,且加工軟的工件時能得到所要求的精度和表面粗糙度,即可用于硬切削。為了保證車削操作的平穩和連續,常用的方法是采用剛性夾緊裝置和中等前角刀具。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋轉可以保持相當平穩狀態,現有的設備就可采用超硬刀具進行硬車削。超硬刀具在硬車削中的應用采用超硬刀具進行硬車削,此項技術經過十幾年的發展及推廣應用,獲得了巨大的經濟效益和社會效益。下面以軋輥加工等行業為例,說明超硬刀具在生產中的推廣應用情況。

  軋輥加工行業國內許多大型軋輥企業已使用超硬刀具對冷硬鑄鐵、淬硬鋼等各類軋輥進行荒車、粗車和精車,均取得了良好的效益7平均提高加工效率26倍,節約加工工時和電力50%80%。如武漢鋼鐵公司軋輥廠對硬度為HS6080的冷硬鑄鐵軋輥粗車、半精車時,切削速度提高了3倍,每車1根軋輥,節約電力、工時費四百多元,節約刀具費近一百元,取得了巨大的經濟效益。如我校用FD22金屬陶瓷刀具車削HRC586386CrMoV7淬硬鋼軋輥時(Vc=60m/minf=0.2mm/rap=0.8mm),單刃連續切削軋輥路徑達15000m(刀尖后刀面磨損帶的最大寬度VBmax=0.2mm),滿足了以車代磨的要求。工業泵加工行業目前國內碴漿泵生產廠的70%80%已采用超硬刀具。

  碴漿泵廣泛應用于礦山、電力等行業,是國內外急需的產品,其護套、護板是HRC6367Cr15Mo3高硬鑄鐵件。過去由于各種刀具難以車削這種材料,所以只得采用退火軟化后粗加工,然后再淬火加工的工藝。采用超硬刀具以后,順利實現了一次硬化加工,免除了退火再淬火2道工序,節約了大量工時和電力。

  汽車加工行業在汽車、拖拉機等行業中的曲軸、凸輪軸、傳動軸的加工,刃具、量具的加工和設備維修中,經常會碰到淬硬工件的加工難題。如我國某機車車輛廠,在設備維修中需要對軸承內圈進行加工,軸承內圈(材料GCr15)的硬度為HRC60,內圈直徑為f285mm,采用磨削工藝,磨削余量不均勻,需2h才能磨好;而先用超硬刀具,僅用45min就加工成一個內環。

  結語:經過多年的研究和探索,我國在超硬刀具方面取得了很大的進展,但是,超硬刀具在生產中的應用還不廣泛。原因主要有以下幾個方面:生產企業、操作者對采用超硬刀具進行硬車削的效果了解不夠,普遍認為硬材料只能磨削;認為刀具成本太高。硬車削最初的刀具成本比普通硬質合金刀具高(PCBN比普通硬質合金貴十多倍),但其分攤在每個零件上的成本比磨削還低,且帶來的效益比普通硬質合金要好得多;對超硬刀具加工機理研究不夠;超硬刀具加工的規范不足以指導生產實踐。因此,除了對超硬刀具加工機理進行深入研究外,還必須加強超硬刀具加工知識的培訓、成功經驗演示及嚴格操作規范,使這種高效、潔凈的加工方法更多地應用于生產實際。

 
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