陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

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5 `1 N) F: z5 U8 B1 W- b+ c; x<% if pyg2("img")<>"" then%> : J' k. j8 v4 {, n& a$ \ A) \! f3 e x& y2 I, C3 n<%end if%>

( m, {) v, d: k; F/ s6 s7 T: z/ e$ m1 p T5 z5 X# s. [* {# u+ w$ O$ W ( i5 y5 F+ g" B4 I5 f 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 4 k) ]3 M c; N: H" z! F+ \ x 刀具选择 b3 [& P9 \; R F0 m% X" k' G 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° 。 切削试验 4 b( X( n( Z5 d- w 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。 铬基合金、钴基合金的切削试验 * N0 T' p% g! L+ B# t5 | 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 B7 I! y5 B6 o# }3 j) {' y2 A/ G/ z2 H 4 H2 u. {: U# E K3 f( }' V) j& o+ L) s: n: X1 f4 a1 M; o' b% t+ Z0 @# q8 c& f9 |) y1 V! y, Y$ x6 \* j2 \7 l/ Z+ J/ s, R+ n6 }* i0 ~& l5 K' ]3 S7 f% {2 L 表1 试验参数与量值 ! K9 \; S$ P8 A; \ 切削速度V m/min 0 h$ c1 d! L4 g$ U6 l+ x 进给量f mm/r : ], l$ m/ p |8 R# ~ 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 : z* u7 M8 Q" U' T& F: ^8 l 241 0.12 ( I1 j( n# v1 ^% d- [$ S( Q7 C 0.8 52 193 0.12 0.8 4 Y7 K" E' }7 Y( {1 k: D; X F 58 3 S q5 I' k1 l, d2 @ 153 & _$ U1 B' B% b. J6 p/ s8 u$ p 0.12 " ] h! b0 R$ w! f; n( a7 u7 y 0.8 6 K* `: m4 k- B. w# |9 v; X8 f 76 153 0.12 3 h( F' B/ g' \' i 1.2 64 6 I) `3 n/ `7 @$ n 153 / o, e1 O; X3 R( S. ?- ?7 K1 N 0.14 ! _ G9 o. }/ g$ {% ^ 1.2 60 - |1 e. n- Q& l/ n2 a1 b$ u2 F6 W5 \* z! s7 m4 l- I+ I5 H+ b2 ]6 s" y* _ a$ f s4 w9 i* [' _- T4 e) |7 K& o) m 表2 试验参数与量值 ) A$ X4 a+ w$ L4 c) P 切削速度V m/min 0 ?1 N% z1 Q! t- a$ w* ` 进给量f mm/r - q- W3 j2 Q# S4 w' h! i 切削深度ap mm ( M) k" j0 A% _7 \$ o! v& J# Z 每刀尖平均 加工件数 241 ! q7 J4 U2 B0 ]1 z" o! _ 0.10 * y+ Z% F5 X9 t. i) i8 g% J+ S' Z 0.8 6 6 Y, T, B: @( n) q% h 193 % l( ]5 E' A+ B 0.10 9 T& w' ~$ L8 `- R 0.8 $ A* x8 G$ X8 t2 ? 7 153 0.10 + P( m- r' k. F 0.8 13 153 ! _3 }4 p4 O! ^8 {) z; v 0.10 1.2 0 ]' z) o; [- j. T3 y3 k8 r' n. X 8 153 & m! S% e- c/ [" W* E1 Q 0.12 9 U, t S, Y+ \0 g. p, n 1.2 9 i" s1 P, M3 u 5 切削效果及分析 # r P5 B D+ `3 a7 p 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 ; F3 @' ^7 q! F 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。 # y% D# [- x6 E1 M0 e/ @ 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。 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。 5 Z, m3 ^* T& |+ X 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 陶瓷刀片切削钴基合金的试验（见表3） ) S( }; S4 H2 u Y/ W9 ?1 A7 G0 c% K, _0 v+ n3 C9 @& J9 O) ]8 I* q % y. ]* i" o) Z9 _4 s8 R, ^- }) M' q0 B5 G6 j# A$ T/ j7 j! [& ^: t* j- h& p6 P' ^* ]" ~ 表3 试验参数与量值 4 Q k" {1 H) i# A b 切削速度V m/min 进给量f mm/r 2 y2 P+ k# w* J! U) o, e/ U3 s M 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 241 1 O$ i @; }% j/ U: V0 T" T. [ 0.08 $ Y# _7 m* S. K 0.8 0 a+ G+ S, z3 G' D" p# P% F4 q) u 20 193 & w7 `- E: t3 d T9 _8 \ [ 0.08 $ ]4 c+ r, K& L, y# j 0.8 23 153 0.08 0.8 37 6 v" r: ~; p' @+ ] 153 0.08 , o Z& c+ d# v$ j* W9 K9 A 1.2 32 153 0.10 5 m% X4 m L" O9 ?8 b 1.2 4 M3 S+ d* d+ w) N3 {" S 31 % U( w* R9 l* v D& n4 H4 S 4 O) T0 }1 z5 m1 M$ f3 S( [$ z0 ]% W& R% t3 A- ^' g2 n7 H) A$ z5 k/ J3 d7 r! F' l' M1 M+ b 表4 试验参数与量值 切削速度V m/min 进给量f mm/r 3 R7 c8 ]' W5 R5 `1 }6 ]; g; q 切削深度ap mm % o' I0 L: \0 M3 n' o& l 每刀尖平均 加工件数 193 0.08 0.8 68 0 W$ }3 o3 n0 I @) g 153 0.08 3 U. B* l P2 V2 a- k 0.8 7 O: {/ o( O1 l( @ 89 153 0.08 " Z p+ E7 ^+ C 1.2 O, I- T ^1 H0 N* ] 80 153 0 c' B8 X" B7 x6 U& L6 M/ P 0.10 1.2 0 i: H: r. g6 C( v( i3 ~# R 75 2 A8 e+ W1 V( C. N/ b 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。 ; T6 @3 d1 H3 C+ Q9 N! v7 A 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）。 ; x3 _/ Y8 B0 {, Y; p 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。 4 v# e( r4 y9 p) W 三、结论 * y; x' N; N5 ?, O" v& u8 D7 I . V: G0 g$ j( U+ K 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。 刀具几何参数 前角g0=-12°，后角a0=12°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 6 H6 s- B, _8 W9 R& ^$ f" J 机床—工件—刀具系统要有良好的刚性。 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。