陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

HEATS

* F q4 w" i# _0 H$ t0 R. d7 b<% if pyg2("img")<>"" then%> 0 U: Z; A) \4 k+ P2 J* I" t<%end if%>

' m2 |! p6 a5 ^3 b/ H% l3 P 7 a* s3 Q+ ]0 A2 K8 D( U, V 图1 气阀加工示意图(局部) 一、引言 ' }. ?' G- ?! ]. x# U, Y/ d" r 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 ! L! c9 t: x: P 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。 O3 G& |# e! B2 J3 A+ G- F 刀具几何参数：前角g0=-6°，后角a0=6°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 0 ^ S- s" p1 c. [" j7 \) | 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。 8 ~, Y- y/ c/ [, ~# p# Y , U3 U1 Z I V 铬基合金、钴基合金的切削试验 % S9 g4 s/ a) T/ y5 c( V 铬基合金的切削试验(见表1)，钴基合金的切削试验（见表2） * j5 P3 }9 u L2 C3 p6 U4 a( a2 N( `2 O* L3 Q: q7 V - M+ L$ o4 P1 \% i2 w8 {) P" A9 m0 T) |, q3 _( U5 h9 x 表1 试验参数与量值 ' f. H2 i+ B# i( R 切削速度V m/min - D0 \7 E# X! A- \, b' i 进给量f mm/r 切削深度ap mm 0 B$ h& M4 q" ?* [& n) K9 O 每刀尖平均 加工件数 241 5 @; v0 f% Q: } 0.12 0.8 , @) d G# Z0 @* n7 @' M# w. X 52 2 z: E- o& q9 L2 c g+ W" G 193 0.12 3 b& i3 l" m; |) ]2 ?8 x- R1 @7 U 0.8 58 * y) `" \8 ]2 G7 p% t8 y5 u1 ?2 r- p 153 0.12 % v+ _! o0 s7 n6 M 0.8 76 & g, ~# V$ j+ F- B7 F6 c5 i 153 2 W. `2 q4 ?5 z, a5 p0 Q5 P 0.12 1.2 64 $ l9 C; z8 |. n; I: H 153 ) g# K/ z* p. \" z( E 0.14 ; {& a( T: w% X2 s/ F 1.2 60 : e" B$ S6 I3 P9 V: @! j y+ D! c. m# V* J- \" r& }7 `2 @( Z& M5 J& K) d7 T+ _2 ~/ `3 {' b" A5 l( z# H# A3 W" S% ~. E. H" E: X0 o4 {1 A6 Z" e. F 表2 试验参数与量值 : R3 A8 H z. v8 X; |8 b& C- ~ 切削速度V m/min ( N) u( t9 `: E& c2 @ 进给量f mm/r 切削深度ap mm . \. K n/ e3 w( }1 t 每刀尖平均 加工件数 # ^9 p7 |5 E" k 241 5 E; l# F6 a. B. ~0 I% {! ` V! s 0.10 0.8 7 X9 O5 ^, b% H 6 " X% F3 p4 Y0 W! F2 A! G0 r& u8 L 193 $ H$ O5 N5 x* s; G; u# ^; X7 ?/ B 0.10 0.8 7 * i# E# v) {5 w p 153 0.10 % q' x( P" K* ?4 B+ R$ I E$ a* Q 0.8 13 % @! k, |0 |' D( Q) X 153 0.10 , G, _2 u T2 Q 1.2 . _- l& [1 {/ F# n! H( L 8 ; ]) J+ w q! B" D- W, t5 b 153 * w7 G9 B2 ?% |5 d" ?- n" T9 G, r* b! x8 Y 0.12 " I+ X) h' W! U- m$ \3 ~- R2 } 1.2 5 3 {7 f+ _) S. Y0 S 切削效果及分析 1 ?$ [/ Y! {" l5 f7 ` 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。 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。 7 E3 [( C6 H& H! j* O _" R8 i" s/ s 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。 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。 陶瓷刀片切削钴基合金的试验 / n! V6 N, r2 a8 z; C0 I 陶瓷刀片切削钴基合金的试验（见表3） ; _! A- w8 x& ^5 |( k" R% D1 F+ H8 X ; t, Q3 C" w7 U z' @ ~* O2 x; @& R5 q; ~4 s4 B. y0 W! I8 U7 {% ?1 J- N+ H& I [5 M( w3 V5 X# y' j8 I0 l, q6 @4 ^6 T8 M$ Q6 e: i4 p7 T7 y( G8 s3 T d+ O& g 表3 试验参数与量值 切削速度V m/min / a! j( `' O* |( F( o+ k, d U2 E 进给量f mm/r 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 ) D- L3 V5 C3 y" x# y. I 241 6 J" Y9 U: l) _- L6 q: S% f) }2 i 0.08 0.8 20 193 * s5 A$ G. Z) ?( _7 L9 E/ y 0.08 & t- u* t: f5 X3 W% e( p 0.8 23 , q) D& u( y" ?5 X7 w: D% A& `# T 153 8 x8 e0 j i; T3 n; I 0.08 0.8 * H1 T- z. f! z _6 ] 37 153 0.08 1 W6 |* J) b, ?5 Y* l' W$ W% ^9 P 1.2 32 153 6 _# d% k8 v# T2 i! E3 W* G 0.10 1.2 31 ( v9 l0 u0 R& _- ~" k2 `( B7 J1 C D$ W- h9 ^. D x& M5 W2 r6 P0 }0 o. n 表4 试验参数与量值 9 f/ `( `& _7 }% X8 ?9 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 r) }) ^! p* j0 G$ G! W 0.08 $ G" e( M0 Z3 u5 S0 S 0.8 h2 i1 k) U% C 68 153 4 o" Q& ^* m" S% f 0.08 0.8 . Q" [2 q! a6 J$ J* R9 { 89 153 0.08 4 c! W6 Z$ O0 s5 M, T% q! y! P 1.2 80 : y- O2 l& P, m5 S 153 5 _* S% v1 G: G 0.10 % N' K1 k* X$ d, h 1.2 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。 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）。 % z2 ~* q9 n, H& ]) `# P' n" @9 C 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。 0 H7 R' ^1 }; u% p; _: Y 三、结论 9 b: ~5 {! Y/ m6 A6 h$ c; 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。 - d' Y9 z! h* l) e! m! X, ^1 P 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。 * ?% O9 n1 }/ R* S9 ? c 刀具几何参数 前角g0=-12°，后角a0=12°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 机床—工件—刀具系统要有良好的刚性。 2 L. A! A2 P, i% t6 X8 c( ~: o 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。

K+ a, ^( g1 `, @" Y% y