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难加工材料切削刀片的正确选用
来源:|[www.MyCIMT.cn] 作者:cimt 浏览次数:0
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目前,各种难加工材料如淬硬钢、超硬烧结金属、耐热超级合金、双金属材料等已日益广泛地应用于工业零件的制造。虽然用此类材料制造的零件可获得优异的使用性能,但同时也带来了一个难题:如何以合理的每件加工成本实现零件的最终成形加工。值得庆幸的是,如今刀具供应商已成功开发出了各种用于铣削、车削加工难加工材料的新型切削刀片,如涂层硬质合金刀片、金属陶瓷刀片、CBN刀片、PCD刀片等。这些新型材料刀片采用了特殊的几何形状和表面涂层,具有优异的耐磨损性能,并可承受加工过程中的机械冲击和热冲击。但是,如何在生产中合理、有效地使用这些切削刀片,还需要与掌握专业知识的刀具供应商密切配合。
由于切削刀片的成本相对较低(一般硬质合金刀片的成本仅占加工总成本的3%,CBN刀片占加工总成本的5%~6%),因此,为节约加工成本而一味选用较便宜的刀片实际上可能并不划算。新型材料刀片虽然价格较贵,但可以缩短加工时间,延长刀具寿命,提高产品质量,因此可能具有更好的经济性。
另一方面,脱离实际加工需要而盲目选用新型材料刀片,也可能增大加工成本(CBN刀片的价格可达硬质合金刀片的8~10倍)。此外,使用新型材料刀片时,如采用不正确的切削速度和进给率,也会影响工件加工质量和刀具使用寿命。因此,选用难加工材料切削刀片时需要正确评估加工的经济性和综合考虑整个加工工艺过程。

CBN刀片经过了强化和钝化处理,在切削硬度>50HRC的工件材料时可有效避免崩刃现象

加工经济性的综合权衡

选择切削刀片时,需要对整个加工任务进行评估。在可以满足工件尺寸精度和表面光洁度要求,并考虑了加工时间和刀片更换的前提下,选用价格相对较低的硬质合金刀片可以实现较好的加工经济性。通过准确了解和综合权衡生产批量、加工时间和刀片性能,就能合理选用切削刀片,达到提高生产率的加工效果。
以铣削加工材质为烧结碳化钛的燃气涡轮机叶片为例,当工件批量较小时,选用涂层硬质合金刀片也可获得较好的加工效果。在35m/min的切削速度下,硬质合金刀片的切削刃寿命仅为5~10分钟,而大批量加工难加工材料工件的合理刀片寿命一般要求达到15~30分钟。在小批量加工中,较短的刀片寿命和较频繁的更换刀片对生产率的影响并不明显;但在大批量满负荷加工中,较长的刀片寿命对于减少换刀辅助时间、降低劳动强度、提高机床利用率和生产能力则具有至关重要的意义。因此,当涡轮机叶片的加工批量较大时,选用硬度更高、价格较贵的CBN刀片可能更为合理。
为了充分发挥先进材料刀片的切削性能,还需要选用正确的进给率和切削速度。以Sandvik Coromant公司的CBN刀片为例,该刀片的切削刃经过了强化和钝化处理,在切削硬度>50HRC的工件材料时可有效避免崩刃现象。尽管CBN刀片韧性极佳,但对切削参数的选取仍十分严格,如所选切削速度高于或低于理想值的10%,则可能大大降低刀片的切削性能。
为了实施难加工材料的切削加工,可考虑向专业刀具供应商寻求技术支持,刀具供应商可基于其它相同的加工实例提供合理的解决方案。在需要进行切削试验时,通常可采用试错(trial-and-error)方式,即首先用硬质合金刀片进行切削,然后换用新型材料刀片进行对比切削,比较不同刀片的加工效果。采用先进的刀片形状、高刚性刀柄和优化加工程序,通常可使价格较低的硬质合金刀片适合于难加工材料的切削。是否需要换用新型材料刀片,则应根据具体的加工任务及加工条件而定。对于同一大类的难加工材料,通常在切削刀片的选用上具有一定共性。

淬硬钢的切削加工

目前,许多合金钢工件对硬度的要求越来越高。过去,工具钢的应用硬度通常为45HRC,而现在模具工业使用的工具钢已普遍要求淬硬到63HRC。为了避免热处理变形,需要对一些过去只能在热处理之前进行切削加工的模具实施完全淬硬状态下的精密铣削加工。在铣削完全淬硬钢时,产生的切削热和切削压力可能引起切削刀片的塑性变形并使刀片迅速失效。如铣削硬度为60HRC的淬硬钢(材料中的碳化物颗粒硬度可达90HRC)时,普通的涂层硬质合金刀片将发生后刀面快速磨损。

铣削硬度为60HRC的淬硬钢(材料中的碳化物颗粒硬度可达90HRC)时,普通的涂层硬质合金刀片将发生后刀面快速磨损
虽然淬硬钢不易切削,但采用硬质合金刀片仍可实现对完全淬硬钢工件的经济性加工。以航空零部件的加工为例,某大型飞机制造企业用Sandvik公司的GC1025硬质合金刀片替换原来使用的金属陶瓷刀片后,成功完成了对材料为淬硬的3000M钢(4340变质处理)的大尺寸锻件的二次孔加工。被加工孔的大部分加工余量已在热处理之前(材料硬度30~32HRC)切除,但为了修正热处理变形,这种大尺寸工件上的精密孔必须在工件完全淬硬后(硬度达54~55HRC)进行二次切削加工。由于被加工孔位于工件深处,特殊的工件形貌使加工相当困难,因此需要经过三次走刀切削才能达到要求的尺寸精度和表面光洁度。高硬度的材料加上断续切削方式,使原来使用的金属陶瓷刀片还未完成一次走刀其切削刃即崩损失效,而崩坏的刀片可能造成工件报废的危险。换用经PVD涂层的细颗粒硬质合金刀片后,刀具的韧性和锋锐性显著提高,可以顺利完成6~9次走刀切削。换用硬质合金刀片后,刀具供应商推荐将切削速度从原来的90m/min降低到53m/min,但切削深度保持不变。切削速度降低后,硬质合金刀片完成对孔的三次走刀切削需时约20分钟,而原来使用金属陶瓷刀具加工则需要一个多小时。更为重要的是增强了硬质合金刀片切削刃的安全性,大大减少了因刀具崩刃导致昂贵工件报废的危险。
为了获得硬质合金刀片铣削淬硬钢的合理切削参数,可进行刀具切削试验。试切时,切削速度的选取通常可从30m/min起,直至增加到45~55m/min;进给率通常为0.075~0.1mm/每齿。一般来说,采用零前角或小负前角的刀片形状比采用正前角的刀片形状强度更高。加工淬硬钢时,采用圆形硬质合金刀片也较为有利,因为圆形刀片强度较高,且外形圆钝的切削刃不易发生破损。
选择硬质合金刀片牌号时,可考虑选用高韧性牌号。此类牌号刀片的切削刃安全性较好,可承受切削淬硬钢时较大的径向切削力和剧烈的切入、切出冲击。此外,特殊设计的高温硬质合金牌号可以承受切削淬硬钢(HRC60)时产生的大量切削热。带氧化铝涂层的抗冲击硬质合金刀片也能抗击铣削淬硬钢时产生的高温。

粉末合金的切削加工

随着粉末冶金技术的不断发展,应用于不同领域的各种超硬烧结金属(粉末合金)材料层出不穷。如某制造商开发了一种包含碳化钨(WC)或碳化钛(TiC)颗粒的复合型粉末镍合金,其硬度达到53~60HRC,镍合金基体中的碳化物颗粒硬度可达90HRC。铣削加工这种材料时,涂层硬质合金刀片很快会发生后刀面磨损,主切削刃被磨损为扁平状;材料微观结构中存在的超硬颗粒会引起“微振颤”,导致刀片加速磨损;切削工件时产生的剪切应力还可能造成硬质合金刀片碎裂。
采用CBN刀片则可较好解决含碳化钨和碳化钛颗粒的硬质粉末合金材料的切削加工问题。改进的刀片几何形状可以有效克服“微振颤”现象。某用户铣削加工复合型粉末合金工件时发现,新型CBN刀片的加工寿命比最好的硬质合金刀片提高了2000倍以上。切削试验表明,用安装了5个CBN刀片的面铣刀切削加工硬质粉末合金材料(切削速度60m/min,进给率0.18mm/每刃),其加工效率可比放电加工(线切割)提高75%。
为了充分发挥CBN刀片的最佳性能,必须将切削参数严格控制在合理范围内。虽然50m/min左右的切削速度和0.1~0.15mm/每齿的进给率显得并不高,但在加工粉末合金材料时却能获得很高的生产率。通过30~60秒钟的试切,可以准确地确定最佳切削参数。试切时,可从低速切削开始,逐渐增大切削速度,直至刀片切削刃出现过度磨损为止。
加工难加工材料时,为了使刀片切削刃温度保持恒定,一般应采用干式切削。在大多数情况下,具有双负角几何形状的圆形刀具加工效果最好,且切削深度通常应控制在1~2mm。
铣削属于断续切削。加工时,硬度达60HRC或更高的工件材料对刀具持续不断的冲击将造成巨大的加工应力。因此,为了在铣削加工中提供足够高的抗冲击能力,要求加工机床和工具系统必须具有最高的刚性、最小的悬伸长度和最大的强度。

耐热超级合金的切削加工

为航空航天工业开发的耐热超级合金(HRSAs)现在正越来越广泛地应用于汽车、医疗、半导体、发电设备等行业。除了常见的耐热超级合金牌号(如Inconel 718/625、Waspalloy、6A14V钛合金等)以外,现在又开发出了多种新型钛基合金和铝/镁基合金牌号。所有的耐热超级合金均属于难加工材料范畴。
超级合金的硬度很高,某些钛合金牌号的加工硬度达到330HB。对于普通合金而言,当切削区温度高于1100℃时,材料中的分子结合链就会发生软化,并出现有利于成屑的流动区。反之,耐热超级合金优良的抗高温性能使其在切削加工全过程中均保持高硬度。
耐热超级合金被切削时还具有冷作硬化倾向,很容易造成切削刀片过早崩刃失效。切削时,工件的被切表面会生成耐磨的冷硬鳞屑层,使刀片切削刃快速磨损。

加工淬硬钢时,采用圆形硬质合金刀片也较为有利,因为圆形强度较高,切削刃不易发生破损
鉴于超级合金的难加工特性,加工时通常采用较低的切削速度。例如,用Sandvik GC2040牌号硬质合金刀片铣削超级合金Inconel 718材质刹车键的切削速度为60m/min;用Sandvik 7020 CBN刀片对Inconel 718进行外圆/端面车削的切削速度为80m/min。与此对比,用未涂层硬质合金刀片切削工具钢的切削速度一般可达120~240m/min。切削超级合金时的进给量通常与切削工具钢的进给量相当。
加工超级合金时,切削刀片的选择主要取决于被加工材料和工件类型。为了提高加工效率,加工薄壁工件时可选用具有正前角切削刃的硬质合金刀片,而加工厚壁工件时则需要选用具有负前角切削刃的陶瓷刀片,以增强刀片切削时的“耕犁”作用。对于大多数难加工材料,应首选干式切削,以保持刀片切削刃温度恒定。但在加工钛合金时,即使切削速度很低,也必须使用冷却液。
由于耐热超级合金在切削过程中始终保持高硬度,因此会加速切削刀片端部倒圆的磨损。采用切削刃圆钝的圆形刀片可大大提高切削刃的强度,但超级合金的冷作硬化倾向会导致刀片崩刃现象加剧。通过在连续多次走刀时改变切削深度,可使刀片避开工件表面形成的冷作硬化层,从而减少刀片崩刃,延长切削刃的工作寿命。一次走刀的切深变化量可为7.6mm,后序切削的切深变化量可为3.2mm和2.5mm。

双金属材料的切削加工

双金属材料的构成是将较硬的材料置于选定的易磨损部位,然后在周围环绕(或混合)其它较软的合金材料。双金属材料在汽车工业及其它行业的应用越来越广泛,同时也带来了特殊的加工难题。CBN刀片可以高效切削硬度大于50HRC的硬合金,但在切削双金属材料中的软合金时却可能发生碎裂。PCD刀片能够切削加工耐磨铝合金,但在切削铁族金属材料时则容易发生过度磨损。
为了实现双金属材料的高效加工,需要用户、刀具供应商和机床制造商共同开发精确的切削加工程序。例如,某种双金属材料是将高硬度的复合型粉末合金通过热均衡压制工艺嵌入价格便宜的316不锈钢基体中制成。加工时,需要编制螺旋插补刀轨程序并输入机床控制系统,以优化的进给量和切削速度首先加工粉末合金材料部位,然后再加工基体部分。
为了高效加工由铝合金和铸铁气缸垫组合构成的双金属气缸体,汽车制造商必须同时克服铝合金的耐磨性和铸铁的高硬度。由于较硬的铸铁气缸垫(易磨损部位)与较软的铝合金缸体难以隔离,因此不宜采用分别加工方式。但是,通过合理编制机床加工程序,采用极低的切削速度和极小的切削深度,可使耐磨损PCD刀片能够同时加工铝合金和铸铁两种材料,从而避免了在加工过程中频繁换刀。

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