陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

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G% p) w# i! h) J& x+ i# b' _. X. u* q1 d3 d9 o- s$ l! u( ] L- P. G. R* }0 L8 ]! \6 E" k " m, u+ ?! i! m) Q, D* y' P9 G( |- X0 B 图1 气阀加工示意图(局部) 一、引言 190系列柴油机的气阀工作环境恶劣，其母体材料分别为：进气阀，4Cr9Si2；排气阀，4Cr14Ni14W2Mo。这两种材料经热处理后本身硬度就比较高，达到了48～52HRC。为提高气阀密封线的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击的能力，分别采用进气阀堆焊钴基合金，排气阀堆焊铬基合金(如图1所示)。此类合金强度及硬度都较高，机械加工性极差。采用YG3硬质合金刀具加工铬基合金时，刀具损坏严重；而对钴基合金则根本无法加工。 为了解决这一问题，采用陶瓷刀具进行加工试验。陶瓷刀具以硬度高而著称，具有良好的耐磨及耐高温等综合性能，特别适合加工高强度、高硬度材料，对高速切削，高精度加工有其独到之处，并且具有优良的化学稳定性和抗粘结性。刀具制造工艺简单、刃磨方便、价格低廉、耐用度高。美中不足的是其抗冲击载荷能力较差，常产生脆性破损(即崩刃)。但若选择合理的切削用量，设计恰当的刀具几何参数，改善刀具的受力状态，就能获得比较满意的加工效果。 二、陶瓷刀具的应用试验 刀具选择 针对被加工材料硬度高(约50HRC)，切削温度高（约1000℃左右）的特点，决定选用LT55陶瓷刀片进行切削试验。刀片成分：Al2O3+TiC+Mo+Ni；技术指标：硬度93.7～94.8HRA，抗弯强度1.0～1.2GPa，冲击韧性≥20kJ/m2；刀具选用可转位型，其型号为：CSS-NR2020R09 GB5343.2-93。 刀具几何参数：前角g0=-6°，后角a0=6°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 ) V1 e) F/ g4 ?( D0 t 切削试验 为获得理想的加工效果，采用不同的切削参数，对铬基合金与钴基合金进行切削试验，寻找合理的切削用量。 $ e' g1 Q" L' w {0 u4 S 铬基合金、钴基合金的切削试验 : K$ r% T! s0 Y+ V3 C 铬基合金的切削试验(见表1)，钴基合金的切削试验（见表2） 0 k( z, ^/ s/ E a- A& P" w8 ]' I! e' S/ l. M % ]4 G/ a6 Q0 q2 D" @/ T. ?) o- `5 g5 }, { }/ o' X( L$ D. k5 s% O, k2 Z6 }9 }6 n+ }* j0 y1 C3 B! r 表1 试验参数与量值 ! D o/ A+ y* J9 Y# i* Z$ _ 切削速度V m/min 0 H* s8 O% \" k4 j" q; ] 进给量f mm/r 3 ^/ u+ \# n* a6 _) i 切削深度ap mm ) M' [7 [ ?' t" {3 u/ ` 每刀尖平均 加工件数 $ d3 Z/ [; ~9 G8 z7 }/ k! e* Y v 241 0.12 0.8 ( f' ^* L3 T, O! ~/ @3 [ 52 193 ( E. y, W' y7 A3 f 0.12 . Z ^% v3 l( [6 h2 D/ W 0.8 7 J) v% H, m' D' y1 A 58 153 0.12 0.8 76 153 ( K* j* V$ {: s. X/ b 0.12 - e. d- @; p \7 @/ d7 \ 1.2 64 ' Q, B/ {8 ^( l- Q 153 0.14 1.2 60 ' i. x( E {6 Z U, t 3 D x; l8 A( p# {4 m% W; n# ]0 h, c6 m x2 P( e 表2 试验参数与量值 切削速度V m/min 进给量f mm/r 切削深度ap mm 5 Y9 K: ^0 J& g( c9 a 每刀尖平均 加工件数 241 0.10 - w& j! s8 B5 _; Z: V 0.8 $ \! [2 P0 s4 ~ d 6 193 0.10 L& K. ^3 c, f# V$ o A0 e0 R 0.8 7 153 $ c( f0 U: A6 x2 R! U' r 0.10 2 y/ D0 i7 i' }/ K m 0.8 13 153 0.10 5 Y8 l' l$ D. m9 f9 W 1.2 : D, R/ M D) `# G T% f6 c4 } 8 6 P; i& w7 O1 } 153 0.12 % x2 v4 r' R* \0 o& H2 M 1.2 5 切削效果及分析 2 E+ R: C9 o# ~/ X$ ? Y: r. U 从以上试验可以看出，LT55陶瓷刀片加工铬基合金效果较好，与硬质合金刀具相比，切削速度及刀具耐用度均有很大提高，经济效益明显。但加工钴基合金效果不理想，刀具损坏严重，损坏形式呈脆性破损。 刀具损坏原因分析 钴基合金较铬基合金的强度及硬度都高，因而切削性能更差。 * }+ e0 v$ _7 z- ?6 ^" ^5 b/ }& G 切削表面既有母体材料又有合金材料，硬度不均；加工表面为毛坯面，余量不匀。 8 K2 O# Y% }) a# s' V5 j0 ` 切削用量，尤其是切屑厚度对刀片应力状态影响较大，切屑厚度大时，刀、屑接触长度增加，冲击载荷加大，易使刀片产生脆性破损。 + n* d5 m% M! D/ w! ]$ S! K 鉴于以上分析，经查阅有关资料，决定改用SG4陶瓷刀片对钴基合金作进一步的切削试验。刀片成分：Al2O3+(WTi)C；技术指标：硬度94.7～95.3HRC，抗弯强度0.8～1.18GPa，冲击韧性≥15kJ/m2。该种刀片较!"## 陶瓷刀片硬度略有提高，冲击韧性略有降低。 6 I( g( l8 K" K7 u% I( N 陶瓷刀片切削钴基合金的试验 ! J. z, P t1 H1 S& L; T) A 陶瓷刀片切削钴基合金的试验（见表3） 2 ], D0 k6 S3 A' t5 }$ Z3 ^5 J2 j/ u+ A2 i5 H% \ . K! [+ j/ }' l1 e. L7 `& }! H; @3 L) x# r& p6 ?9 I3 L+ |1 _( E5 c# }2 d" r4 R2 Z! ^( A; D, k: J# b% l: v. T- b 表3 试验参数与量值 * l# D% w9 K) R/ t* n+ @ 切削速度V m/min 3 P# D4 i# M2 a8 U4 f 进给量f mm/r ( O Z) F+ l p1 k) M 切削深度ap mm " e! B5 C. J; d 每刀尖平均 加工件数 6 [! X0 W" C \& w }6 A 241 0.08 0.8 ( d' N" f5 l4 c 20 193 " w, E% \* f' x2 V1 [ 0.08 ) i4 @' ]' I: m) q* I- @1 C 0.8 23 153 5 X/ _" s+ ^1 c/ c. s9 e 0.08 0.8 6 v" c, U9 f, N6 n: W7 } 37 * ~! P* }' r% Z/ X5 I5 d3 k 153 0.08 % f) m$ `2 x0 p5 C( k! e, n 1.2 32 153 P; d* A% N3 e6 E+ T3 H* G 0.10 " T0 f3 A/ r1 q' ]4 q" G; H8 ` 1.2 `8 \* g; k U4 @ 31 ( E: A- K! ^ ~9 u5 a0 K" T8 _# G, Y, Y8 |9 a$ X' U& X6 {0 B c' V/ x: u/ i8 y- l; s8 V, A- f- o+ g4 a# H' O9 P( W2 V5 s4 y) Q( U 表4 试验参数与量值 , N! K5 q8 `% G3 P# k0 p9 @" F" \ 切削速度V m/min 进给量f mm/r 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 193 8 M8 E! s) h0 A/ G+ q9 H 0.08 0.8 68 3 I/ [ k$ t+ q 153 0.08 0.8 89 . o8 r9 \+ H8 S. c1 ? 153 8 ~$ y6 v' B$ d. N: m( \$ x. k 0.08 ; Y- l; E* s! D$ O1 k 1.2 1 k; s' j b2 y- G' b 80 u* R6 [9 s1 s* k 153 6 [6 [7 i$ \ d* Y `) n% g 0.10 1.2 0 A `/ G' E: m; a0 M 75 从试验效果看，SG4刀片较LT55刀片加工钴基合金，刀具耐用度有了很大提高，但效果仍不十分理想。陶瓷刀具在切削冲击载荷较大的毛坯面时，其刀面上所受为拉应力，这样易使刀片产生脆性破损；如采用较大的负前角，可使刀面上的拉应力变为压应力，提高刀片的抗破损能力。但是，加大负前角，会使切削抗力增大，故要求机床系统要有较好的刚性。 " R* [% Y2 a5 h, w$ o/ C 结合理论分析和前期试验结果，将刀片负前角改为-12°作进一步切削试验（见表4）。 从试验结果来看，效果比较明显，刀具耐用度有了很大提高，且尺寸稳定，粗糙度亦符合要求，说明采取的措施是正确的。 / r& t; B; A4 e9 M1 {% S 三、结论 ; K8 m8 K, J* p/ {! f1 c LT55陶瓷刀片适合加工铬基合金，切削速度可选153～193m/min之间，进给量可选0.12～0.14mm/r之间，切削深度可选0.8～1.2mm之间。 SC陶瓷刀片适合加工钴基合金，切削速度可选153～193m/min之间，进给量可选0.08～0.10r/min之间，切削深度可选0.8～1.2mm之间。 - [2 {: i! f5 i7 k7 ]5 b) x( T 刀具几何参数 前角g0=-12°，后角a0=12°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 ( H2 i$ v+ |6 \8 h! k0 | 机床—工件—刀具系统要有良好的刚性。 3 i4 w; p# Z: o0 F$ j 由于切削用量与刀具几何参数优选的范围比较窄，因此还不算是最佳的。