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高速切削加工中刀具材料的選用
文:網絡轉載 來源:網絡 時間:2008-11-25 點擊:4632
一、前言

  20多年前,高速切削主要用于航空航天工業的鋁合金加工,隨著新型刀具材料的不斷涌現,人們開始從事普通鋼、鑄鐵、高強度鋼、高溫合金、鈦合金及復合材料等的高速切削研究工作,并不斷取得新的成果。 

  我國盡管還沒有自制的高速切削生產設備,但已有一部分企業進口了相當數量的高速切削加工設備,而大部分用戶都面臨缺乏高速切削資料的問題。本文就文獻中分散、零星的刀具材料選用作一詳細的總結,按被加工材料進行分類闡述,以滿足不同用戶的需要。 

  二、高速切削加工刀具材料選用

  鋁合金 

  易切削鋁合金 

  該材料在航空航天工業應用較多,適用的刀具有K10、K20、PCD,切削速度在2000~4000m/min,進給量在3~12m/min,刀具前角為12°~18°,后角為10°~18°,刃傾角可達25°。 

  鑄鋁合金 

  鑄鋁合金根據其Si含量的不同,選用的刀具也不同,對Si含量小于12%的鑄鋁合金可采用K10、Si3N4刀具,當Si含量大于12%時,可采用PKD(人造金剛石)、PCD(聚晶金剛石)及CVD金剛石涂層刀具。對于Si含量達16%~18%的過硅鋁合金,最好采用PCD或CVD金剛石涂層刀具,其切削速度可在1100m/min,進給量為0.125mm/r。

  鑄鐵 

  對鑄件,切削速度大于350m/min時,稱為高速加工,切削速度對刀具的選用有較大影響。當切削速度低于750m/min時,可選用涂層硬質合金、金屬陶瓷;切削速度在510~2000m/min時,可選用Si3N4陶瓷刀具;切削速度在2000~4500m/min時,可使用CBN刀具。 

  鑄件的金相組織對高速切削刀具的選用有一定影響,加工以珠光體為主的鑄件在切削速度大于500m/min時,可使用CBN或Si3N4,當以鐵素體為主時,由于擴散磨損的原因,使刀具磨損嚴重,不宜使用CBN,而應采用陶瓷刀具。如粘結相為金屬Co,晶粒尺寸平均為3μm,CBN含量大于90%~95%的BZN6000在V=700m/min時,宜加工高鐵素體含量的灰鑄鐵。粘結相為陶瓷(AlN+AlB2)、晶粒尺寸平均為10μm、CBN含量為90%~95%的Amborite刀片,在加工高珠光體含量的灰鑄鐵時,在切削速度小于1100m/min時,隨切削速度的增加,刀具壽命也增加。 

  普通鋼 

  切削速度對鋼的表面質量有較大的影響,根據德國Darmstadt大學PTW所的研究,其最佳切削速度為500~800m/min。 

  目前,涂層硬質合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷、CBN刀具均可作為高速切削鋼件的刀具材料。其中涂層硬質合金可用切削液。用PVD涂層方法生產的TiN涂層刀具其耐磨性能比用CVD涂層法生產的涂層刀具要好,因為前者可很好地保持刃口形狀,使加工零件獲得較高的精度和表面質量。 

  金屬陶瓷刀具占日本刀具市場的30%,以TiC-Ni-Mo為基體的金屬陶瓷化學穩定性好,但抗彎強度及導熱性差,適于切削速度在400~800m/min的小進給量、小切深的精加工;Carboly公司用TiCN作為基體、結合劑中少鉬多鎢的金屬陶瓷將強度和耐磨兩者結合起來,Kyocera公司用TiN來增加金屬陶瓷的韌性,其加工鋼或鑄鐵的切深可達2~3mm。CBN可用于銑削含有微量或不含鐵素體組織的軸承鋼或淬 硬鋼。 

  高硬度鋼 

  硬度鋼(HRC40~70)的高速切削刀具可用金屬陶瓷、陶瓷、TiC涂層硬質合金、PCBN等。 

  金屬陶瓷可用基本成分為TiC添加TiN的金屬陶瓷,其硬度和斷裂韌性與硬質合金大致相當,而導熱系數不到硬質合金的1/10,并具有優異的耐氧化性、抗粘結性和耐磨性。另外其高溫下機械性能好,與鋼的親和力小,適合于中高速(在200m/min左右)的模具鋼SKD加工。金屬陶瓷尤其適合于切槽加工。 

  采用陶瓷刀具可切削硬度達HRC63的工件材料,如進行工件淬火后再切削,實現“以切代磨”。切削淬火硬度達HRC48~58的45鋼時,切削速度可取150~180m/min,進給量在0.3~0.4min/r,切深可取2~4mm。粒度在1μm,TiC含量在20%~30%的Al2O3-TiC陶瓷刀具,在切削速度為100m/min左右時,可用于加工具有較高抗剝落性能的高硬度鋼。 

  當切削速度高于1000m/min時,PCBN是最佳刀具材料,CBN含量大于90%的PCBN刀具適合加工淬硬工具鋼(如HRC55的H13工具鋼)。 

  高溫鎳基合金 

  Inconel 718鎳基合金是典型的難加工材料,具有較高的高溫強度、動態剪切強度,熱擴散系數較小,切削時易產生加工硬化,這將導致刀具切削區溫度高、磨損速度加快。高速切削該合金時,主要使用陶瓷和CBN刀具。 

  碳化硅晶須增強氧化鋁陶瓷在100~300m/min時可獲得較長的刀具壽命,切削速度高于500m/min時,添加TiC氧化鋁陶瓷刀具磨損較小,而在100~300m/min時其缺口磨損較大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel 718合金的加工。 

  加拿大學者M.A.Elbestawi認為,SiC晶須增強陶瓷加工Inconel 718的最佳切削條件為:切削速度700m/min,切深為1~2mm,進給量為0.1~0.18mm/z。 

  氮氧化硅鋁(Sialon)陶瓷韌性很高,適合于切削過固溶處理的Inconel 718(HRC45)合金,Al2O3-SiC晶須增強陶瓷適合于加工硬度低的鎳基合金。 

  鈦合金(Ti6Al6V2Sn) 

  鈦合金強度、沖擊韌性大,硬度稍低于Inconel 718,但其加工硬化非常嚴重,故在切削加工時出現溫度高、刀具磨損嚴重的現象。日本學者T.Kitagawa等經過大量實驗得出,用直徑??10mm的硬質合金K10兩刃螺旋銑刀(螺旋角為30°)高速銑削鈦合金,可達到滿意的刀具壽命,切削速度可高達628m/min,每齒進給量可取0.06~0.12mm/z,連續高速車削鈦合金的切削速度不宜超過200m/min。 

  復合材料 

  航天用的先進復合材料(如Kevlar和石墨類復合材料),以往用硬質合金和PCD,硬質合金的切削速度受到限制,而在900℃以上高溫下PCD刀片與硬質合金或高速鋼刀體焊接處熔化,用陶瓷刀具則可實現300m/min左右的高速切削。

  三、干切削用刀具

  使用于干切削工藝的刀具材料有:陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質合金及PCBN,就紅硬性和熱穩定性來說,PCBN材料是最適合高速干切工藝的刀具材料,能獲得比濕切削更高的刀具壽命。

 
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