陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

HEATS

' q4 u9 s9 d, m0 F% z4 V# G D% v; H+ }8 ]0 t<% if pyg2("img")<>"" then%>! K0 N/ x2 A$ x4 S, {/ n<%end if%> , c0 Y/ H( U7 n* f2 q" l# }( `0 `; p& i" y& v' o* s/ F

9 m- v" t8 L* z8 n) D3 m' [( U5 h9 a6 Z" f4 I/ f9 e( f/ _! ?7 a 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 ! v6 r' B7 [$ p5 x0 ~ 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。 + \- O! `$ u W; T: ? 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 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。 , D9 w. C' y- i/ F. a5 e/ K, ~ 铬基合金、钴基合金的切削试验 铬基合金的切削试验(见表1)，钴基合金的切削试验（见表2） 3 r4 _* C, Z- f, j6 R/ Z+ ]- ^/ u0 O, i8 U7 X. k% Y / b7 ~5 h- Q- G! d2 G& q5 x% l: E! u, X2 h! Y9 Z& k1 y2 C2 Q3 H0 n' F5 F9 n ?+ x7 Z* U 表1 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 6 ]) I1 d0 k# S8 P1 j& C0 X 每刀尖平均 加工件数 241 0.12 0.8 52 193 0.12 0.8 58 3 m Q( v9 ^7 |% m* I 153 0.12 {& p K+ H6 D0 w7 X, x% { 0.8 76 153 * q1 R) l) A" |# f2 V 0.12 1.2 64 / I' g0 A5 C; j8 I 153 0.14 * n" k) \, ^( v# e4 |" P 1.2 % y6 S, c6 N4 j# F7 F* f! p 60 * X n a% U: Y# S- O7 w/ ~* k0 H$ s$ E+ U& Q3 Q* k" \5 t4 L) F: _5 C1 j; N6 W& [1 Z* E( S2 Q6 h# R: s8 S$ |. R 表2 试验参数与量值 切削速度V m/min # D, C$ a+ i: b. t( w: _0 p% Z8 D: V 进给量f mm/r 切削深度ap mm * v9 j4 j: X; s3 R3 y7 E 每刀尖平均 加工件数 9 a" T' M! L) O 241 2 q; S' M8 T: x& ]9 i$ B1 R 0.10 % \: Y% Z3 J* |4 X$ r 0.8 6 $ j4 M2 X3 ?0 g8 r1 p$ }% j 193 & p1 |# [, t2 [- G) {6 f# X 0.10 0 Q/ _# e G' N; R* O! H 0.8 7 - L& J3 X/ D. _! D, E. E& Z 153 8 z2 e. u1 f0 i8 Z' g 0.10 ) W1 _+ `8 r* v1 y7 z3 f 0.8 13 ! n2 P: Q. b6 F3 z% @+ i/ v0 r 153 0.10 8 F5 t& e8 o% @# A* ? 1.2 8 153 0.12 1.2 ( G$ e# S0 I6 k# b6 G, K, U' U 5 切削效果及分析 , p G' W/ t5 L& ] A# Q) T* k6 e( i 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 6 L. ?* Y- P0 F# Q 7 m3 C) L" K5 W# }! \' r. b 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。 - T3 z0 e- c: f 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。 * G- i0 S* g$ P7 R% |+ P! b 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。 ( i! a, E$ O9 D: h8 n 陶瓷刀片切削钴基合金的试验 & m. l% U( A/ i# {' ?! G' p 陶瓷刀片切削钴基合金的试验（见表3） ( l, n5 u6 l i/ Y! V1 x! G6 S8 m1 w2 j. u3 N C0 R1 A. [& b1 S, v9 Q 6 u; K* Y g+ ^% }9 U0 l2 S! G6 A& T" B; h7 G. f3 m- S& P) l# j1 I g! [3 h( a1 S/ q* r7 e% S) X9 \ 表3 试验参数与量值 + }2 y M5 @, S, ^ 切削速度V m/min 进给量f mm/r * u: Y2 c2 n) o/ } 切削深度ap mm " ^, n. P! Q# d- k7 Y) j, z% ?% ^6 { 每刀尖平均 加工件数 # Y+ I5 Y# X8 g! g 241 $ `, D" a: ]! d6 E! ` 0.08 0.8 ; o1 C6 y; }5 S' E 20 * |6 V+ x& t5 k* Q. y 193 0.08 ; G5 U, _/ U: ~4 U1 h 0.8 23 153 7 `. e Y1 U8 F7 k6 V% b9 N 0.08 0.8 . Y$ t% d. k- y& U4 ]9 b" T* I 37 153 - J0 }6 P! |/ A1 X 0.08 7 i, v/ V5 C6 k" s6 s3 U' T 1.2 G D6 _& @% k; E. l 32 153 3 R+ s2 [% H$ J/ ?3 ]1 Y5 g 0.10 1.2 ( D% h5 Q+ f" M$ _5 U6 U 31 . J8 W; r$ v, a* a+ @ " k! {- Y8 \0 t |0 l9 | W ~- {' r2 w ~$ T& m, m- T; C$ g! e 表4 试验参数与量值 切削速度V m/min . V8 `% a0 u: n. G2 E 进给量f mm/r , [2 v w7 G" _; o: A7 l 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 193 0.08 0.8 68 153 0.08 # ^% P7 J! X1 ^ 0.8 89 ( H* u1 h7 t7 v7 | 153 . \( Y8 r$ }# Z8 B 0.08 1.2 * [: `& s- k6 q9 u 80 ) `+ J: |/ c0 g$ d" M" w 153 0.10 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）。 : }( q* h1 i- 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。 三、结论 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。 : j4 O" Q" J& l3 f2 ?; {# I 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。 , m4 Y' L3 r0 f7 ?+ k 刀具几何参数 * z: ]7 n5 v6 j- P5 l 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。 % S U% x5 b8 b* ]5 B- y5 e4 S 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。