在硬車削加工中超硬刀具的選用及應(yīng)用
發(fā)布日期:2012-08-29 蘭生客服中心 瀏覽:2787
超硬刀具及其選用
超硬刀具采用的材料及其刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)是實現(xiàn)硬車削的基本要素,因此,如何選擇超硬刀具材料,設(shè)計出合理的刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)對穩(wěn)定實現(xiàn)硬車削是十分重要的。
1,超硬刀具材料及其選用
涂層硬質(zhì)合金
在韌性較好的硬質(zhì)合金刀具上涂覆1層或多層耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al3O2等,涂層的厚度為2~18µm,涂層通常具有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù),減弱了刀具基體的熱作用;另一方面能有效地改善切削過程的摩擦和粘附作用,降低切削熱的生成。
涂層按生成方法可分為物理氣相沉積(PVD)與化學(xué)氣相沉積(CVD)2種。PVD涂層(2~6µm)主要包括TiN、TiCN、TiAlN等,其成分還在不斷地增加,如TiZrN。TiN和TiC涂層的最高壓力分別可達(dá)到3580MPa和3775MPa,TiAlN涂層因缺乏可靠的彈性模量數(shù)據(jù)而得不到準(zhǔn)確的壓應(yīng)力值,高速切削實驗結(jié)果表明TiAlN性能最好。圖1為這3種涂層硬度隨溫度變化的情況,在室溫下硬度最高,當(dāng)溫度超過[Y;\時,TiAlN涂層的硬度高于TiCN和TiN涂層。圖2為加工鎳基高溫合金Inconel178時用2種切削速度v1=193.5m/min和v2=380m/min條件下的刀具壽命,實驗表明TiCN和TiAlN涂層的切削性能明顯優(yōu)于TiN涂層。
盡管PVD涂層顯示出很多優(yōu)點,但一些涂層如Al2O3和金剛石則傾向于采用CVD涂層技術(shù)。Al2O3是一種耐熱和抗氧化很強(qiáng)的涂層,它能夠?qū)⒌毒唧w和切削產(chǎn)生的熱量隔離開。通過CVD涂層技術(shù),還可以綜合各種涂層的優(yōu)點,以達(dá)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(yōu)良的隔熱效果等。
涂層硬質(zhì)合金刀具與硬質(zhì)合金刀具相比,無論在強(qiáng)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(zhì)合金可實現(xiàn)高速車削。近年來,一些廠家應(yīng)用改進(jìn)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(shù)生產(chǎn)的涂層刀片,硬度高達(dá)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(dá)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(jié)構(gòu)和壓制工藝的不斷改進(jìn),特別是納米技術(shù)的進(jìn)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(zhì)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(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750~1000MPa),耐磨性好,化學(xué)穩(wěn)定性好,抗粘結(jié)性能良好,摩擦系數(shù)低且價格低廉等優(yōu)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(dá)到HRA80。
正常切削時,陶瓷刀具耐用度極高,切削速度可比硬質(zhì)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(dá)HRC65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(zhì)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(qiáng)度和韌性很低,為改善其韌性,提高耐沖擊性能,通常可加入ZrO或TiC和TiN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(chǎn)生高溫擴(kuò)散,加劇刀具磨損,氮化硅基陶瓷主要應(yīng)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(zhì)相(0.5~2µm),它們通過Co或Ti粘結(jié)劑結(jié)合起來,是一種與硬質(zhì)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(zhì)合金能承受更高的切削溫度,但缺乏硬質(zhì)合金的耐沖擊性、強(qiáng)力切削時的韌性以及低速大進(jìn)給時的強(qiáng)度。近年通過大量的研究、改進(jìn)和采用新的制作工藝,其抗彎強(qiáng)度和韌性均有了很大提高,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(xì)小至1µm以下,抗彎強(qiáng)度和耐磨性均遠(yuǎn)高于普通的金屬陶瓷,大大拓寬了其應(yīng)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(xué)穩(wěn)定性稍差,但沖擊強(qiáng)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(zhì)合金刀具相比,其切削速度可提高一個數(shù)量級。
CBN含量高的復(fù)合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強(qiáng)度高及耐沖擊韌性好,其缺點是熱穩(wěn)定性差和化學(xué)惰性低,適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)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(jié)劑,其硬度較低,但彌補(bǔ)了前一種材料熱穩(wěn)定性差、化學(xué)惰性低的特點,適用淬硬鋼的切削加工。
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(yīng)進(jìn)行成本效益和加工質(zhì)量分析,以確定選擇哪一種。圖3為Al2O3、Si3N4和CBN刀具加工灰鑄鐵后刀面磨損情況,如圖3所示,PCBN刀具材料切削性能優(yōu)于Al2O3和Si3N4。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(xué)穩(wěn)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(jìn)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(yīng)力也比陶瓷刀具相對穩(wěn)定,如圖4所示。
使用PCBN刀具干式切削淬硬鋼還應(yīng)遵循以下原則:在機(jī)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(yīng)考慮采用PCBN刀具導(dǎo)熱性差而使得切削區(qū)熱量來不及擴(kuò)散,剪切區(qū)也能產(chǎn)生明顯的金屬軟化效應(yīng),減小切削刃的磨損。
2,超硬刀具的刀片結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)
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(guān)重要的。按刀具強(qiáng)度而言,各種刀片形狀的刀尖強(qiáng)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(yīng)選用強(qiáng)度盡可能高的刀片形狀。硬車削刀片也應(yīng)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(jié),淬硬鋼切削表面質(zhì)量高,一般不產(chǎn)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(fù)前角(go≥-5°)和較大的后角(ao=10°~15°)。主偏角取決于機(jī)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(shù)及對工藝系統(tǒng)的要求
1,切削參數(shù)的選擇
工件材料硬度越高,其切削速度應(yīng)越小。使用超硬刀具進(jìn)行硬車削精加工的適宜切削速度范圍為80~200m/min,常用范圍為10~150m/min;采用大切深或強(qiáng)力斷續(xù)切削高硬度材料,切速應(yīng)保持在80~100m/min。一般情況下,切深為0.1~0.3mm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(jìn)給量通?梢赃x擇0.05~0.25mm/r之間,具體數(shù)值視表面粗糙度值和生產(chǎn)率要求而定。當(dāng)表面粗糙度Ra=0.3~0.4µm時,采用超硬刀具進(jìn)行硬車削比用磨削經(jīng)濟(jì)得多。
2,對工藝系統(tǒng)的要求
除選擇合理的刀具外,采用超硬刀具進(jìn)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(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。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋轉(zhuǎn)可以保持相當(dāng)平穩(wěn)狀態(tài),現(xiàn)有的設(shè)備就可采用超硬刀具進(jìn)行硬車削。
超硬刀具在硬車削中的應(yīng)用
采用超硬刀具進(jìn)行硬車削,此項技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展及推廣應(yīng)用,獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。下面以軋輥加工等行業(yè)為例,說明超硬刀具在生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用情況。
軋輥加工行業(yè)
國內(nèi)許多大型軋輥企業(yè)已使用超硬刀具對冷硬鑄鐵、淬硬鋼等各類軋輥進(jìn)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2~6倍,節(jié)約加工工時和電力50%~80%。如武漢鋼鐵公司軋輥廠對硬度為HS60~80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(jié)約電力、工時費四百多元,節(jié)約刀具費近一百元,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。如我校用FD22金屬陶瓷刀具車削HRC58~63的86CrMoV7淬硬鋼軋輥時(Vc=60m/min,f=0.2mm/r,ap=0.8mm),單刃連續(xù)切削軋輥路徑達(dá)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(yè)泵加工行業(yè)
目前國內(nèi)碴漿泵生產(chǎn)廠的70%~80%已采用超硬刀具。碴漿泵廣泛應(yīng)用于礦山、電力等行業(yè),是國內(nèi)外急需的產(chǎn)品,其護(hù)套、護(hù)板是HRC63~67的Cr15Mo3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(xiàn)了一次硬化加工,免除了退火再淬火2道工序,節(jié)約了大量工時和電力。
汽車加工行業(yè)
在汽車、拖拉機(jī)等行業(yè)中的曲軸、凸輪軸、傳動軸的加工,刃具、量具的加工和設(shè)備維修中,經(jīng)常會碰到淬硬工件的加工難題。如我國某機(jī)車車輛廠,在設(shè)備維修中需要對軸承內(nèi)圈進(jìn)行加工,軸承內(nèi)圈(材料GCr15鋼)的硬度為HRC60,內(nèi)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(nèi)環(huán)。
結(jié)語
經(jīng)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(jìn)展,但是,超硬刀具在生產(chǎn)中的應(yīng)用還不廣泛。原因主要有以下幾個方面:生產(chǎn)企業(yè)、操作者對采用超硬刀具進(jìn)行硬車削的效果了解不夠,普遍認(rèn)為硬材料只能磨削;認(rèn)為刀具成本太高。硬車削最初的刀具成本比普通硬質(zhì)合金刀具高(如PCBN比普通硬質(zhì)合金貴十多倍),但其分?jǐn)傇诿總零件上的成本比磨削還低,且?guī)淼男б姹绕胀ㄓ操|(zhì)合金要好得多;對超硬刀具加工機(jī)理研究不夠;超硬刀具加工的規(guī)范不足以指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。
因此,除了對超硬刀具加工機(jī)理進(jìn)行深入研究外,還必須加強(qiáng)超硬刀具加工知識的培訓(xùn)、成功經(jīng)驗演示及嚴(yán)格操作規(guī)范,使這種高效、潔凈的加工方法更多地應(yīng)用于生產(chǎn)實際。
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