干式切削刀具及其在加工軋輥中的應用

發(fā)布日期:2012-10-29    蘭生客服中心    瀏覽:4696

  淬硬軋輥的最終加工過去常由磨削加工來完成,而磨削加工不僅效率低,而且所使用的切削液會給環(huán)境帶來污染,并影響操作者的身體健康,因此,采用干式切削刀具對淬硬軋輥的硬態(tài)干式切削加工已成為目前研究與應用的熱點。淬硬軋輥的干式切削加工實現(xiàn)了以車代磨,加工效率提高了5~10倍,并可避免環(huán)境污染,是一種高效、潔凈的工藝方法,符合綠色制造、清潔生產(chǎn)模式,具有廣泛的應用前景。

  干式切削淬硬軋輥刀具

  刀具材料及其選用

  1.陶瓷材料

  陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強度(抗彎強度為750~1 000 MPa)、耐磨性好、化學穩(wěn)定性好、良好的抗粘結性能、摩擦系數(shù)低且價格低廉等優(yōu)點。陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度,1,200℃時硬度達到HRA80。正常使用時,陶瓷刀具耐用度極高,車速可比硬質合金提高2~5倍,特別適合高硬度材料加工、精加工以及高速加工,加工硬度可達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(tài)下切削刃一般不會產(chǎn)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,通常一方面可加入氧化鋯或TiC和TiN的混合物,另一種方法是加入碳化硅晶須。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(chǎn)生高溫擴散,加劇刀具磨損,氮化硅基陶瓷主要應用于斷續(xù)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Co或Ti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(guī)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、重型加工時的韌性以及低速大進給時的強度。近年來通過大量的研究、改進和采用新的制作工藝,陶瓷材料的抗彎強度和韌性均有了很大的提高,如日本三菱金屬公司開發(fā)的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山德維克公司開發(fā)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,大大拓寬了陶瓷材料的應用范圍。

  2.CBN

  CBN的硬度和耐磨性僅次于金剛石,有極好的高溫硬度,與陶瓷刀具相比,其耐熱性和化學穩(wěn)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(HRC50以上)、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(shù)量級。

  CBN含量高的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(wěn)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。復合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(wěn)定性差、化學惰性低的特點,適用淬硬鋼的切削加工。

  使用PCBN刀具干式切削淬硬軋輥還應遵循以下原則:在機床剛性允許條件下盡可能選擇大切深,這樣切削區(qū)生成的熱量使得刃前區(qū)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(qū)熱量來不及擴散,剪切區(qū)也能產(chǎn)生明顯的金屬軟化效應,減小切削刃的磨損。

  3.刀片結構及幾何參數(shù)確定

  刀片形狀及幾何參數(shù)的合理確定對充分發(fā)揮刀具切削性能是至關重要的。按刀具強度來說,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。

  硬態(tài)車削刀片也應選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑,用圓形及大半徑刀片粗加工,精加工時的刀尖半徑約為0.8µm。

  淬硬鋼切屑為紅而酥軟的鍛帶狀,脆性大,易折斷,不粘結,一般在切削表面不產(chǎn)生積屑瘤,加工的表面質量高,但淬硬鋼切削力比較大,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(g0≥-5°)和較大的后角(a0=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。

  干式切削淬硬軋輥切削參數(shù)及其對工藝系統(tǒng)的要求

  1.切削參數(shù)的選擇

  淬硬軋輥材料硬度越高,其切削速度應越小。使用干式切削刀具進行硬態(tài)車削精加工的適宜切削速度范圍為80~200m/min,常用范圍為100~150m/min。采用大切深,或強烈斷續(xù)切削時,切削速度應保持在80~100m/min。一般情況下,背吃刀量為0.1~0.3mm之間。加工表面粗糙度要求高時可選小的切削深度,但不能太小,要適宜。進給量通?梢赃x擇0.05~0.25mm/r之間,具體數(shù)值視表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。當表面粗糙度為Ra0.6~0.8µm,采用干式切削刀具進行硬態(tài)車削比磨削經(jīng)濟得多。

  2.對工藝系統(tǒng)的要求

  除選擇合理的刀具外,采用干式切削刀具進行硬車削軋輥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,即可用于硬態(tài)切削。由于加工淬硬軋輥時,徑向力很大,這就要求機床功率要大,機床系統(tǒng)剛性要好,這既可保護干式切削刀具,又可獲得滿意的加工效果。為了保證車削操作的平穩(wěn)和連續(xù),常用的方法是采用剛性夾緊裝置和中等前角刀具。若軋輥在切削力作用下其定位、支承和旋轉可以保持相當平穩(wěn),現(xiàn)有的設備就可采用干式切削刀具進行硬車削。

  干式切削淬硬軋輥中應注意的問題

  干式切削淬硬軋輥不用切削液,因為在切削過程中大量的熱量將由切屑帶走,很少會在工件表面產(chǎn)生熱損傷及熱變形。相反,若使用冷卻液會給刀具壽命和表面質量帶來不利影響。

  精車刀片最好選用強度高的方形、圓形刀片,雖然切削力加大,但粗糙度值更小,表面質量更佳。磨鈍以后,轉位換刃即可。也可以選用菱形刀片,刀尖半徑在0.5~1mm之間。

  干式切削刀具作低速切削時(如v<50m/min),不但與硬質合金的切削性能相近,而且容易引起工藝系統(tǒng)的振動,使刀具發(fā)生崩刃,甚至無法切削。在一定速度范圍內(nèi)高速切削時,切削溫度的升高,還會改變工件材料的性能,提高干式切削刀具的韌性,從而減少其破損。但是斷續(xù)切削時,如果切削速度提高太大,溫差會很大,產(chǎn)生的熱應力也可導致刀具破損。

  進給量對刀具破損的影響比切削速度大,選取較小的進給量,有利于防止或減少刀具的破損。因此,對干式切削刀具應選用較小的進給量和盡可能高的切削速度。

  裝夾干式切削刀具時,刀具的懸伸長度要盡量短,以防止刀桿顫振和變形,使干式切削刀具保持良好的加工狀態(tài)。

  對于硬度高和不規(guī)則的工件,由于干式切削刀具較脆、怕沖擊。刀具從工件端面切入、切出時,尤其表面有凹凸不平,最易發(fā)生沖擊,刃口破裂,使耐用度降低。所以在使用干式切削刀具前,最好在工件切入切出端先倒角,以減小刀具沖擊力。毛坯切入處的倒角,可避免刀具剛接觸工件時,承受過大的沖擊載荷。毛坯切出處的倒角,主要是為避免刀具切離零件時被留下的一圈料邊打壞。

  為很好地使用干式切削刀具,穩(wěn)定地控制工件質量,準確判斷干式切削刀具的耐用度至關重要。如果一直使用磨損已很嚴重的刀具,那么切削力及切削溫度增加、切削不暢,就難以控制工件尺寸及表面完整性,甚至使干式切削刀具無法繼續(xù)修磨而報廢。為保證刀具的正常使用,建議干式切削刀具后刀面磨損量達0.3~0.6mm(精車時取小值)時應進行重磨。但重磨需要一定的設備和技巧,多數(shù)工廠的機床不具備合適的條件,一般干式切削刀具的重磨都應由專業(yè)廠來完成。

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