陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

HEATS

, X/ s( i9 D- J- X2 B: j4 J1 [& r! O2 `+ `! j L) e, Z<% if pyg2("img")<>"" then%> ) t7 I% v& D1 K5 v! j O8 [) z% C* N- B! B! ]9 z5 [6 ?<%end if%> 6 B0 n7 z2 x4 P* C" {' O; U# Z2 X# o7 I6 r$ Q& N. B6 ?

0 T3 A5 L8 A) J) E7 g B& G) G2 y3 O2 l% M1 d' }$ P" f n, ?: i 5 J% h8 S8 `$ t/ j; u+ g# t- E% G E' y4 h9 i 图1 气阀加工示意图(局部) 3 ~/ ?: I0 u+ S3 o! K$ U/ Q$ | 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。 ; B$ _' c. c* R: l r' ` s3 _7 R 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 : b6 A& |# ?$ W6 R2 f! x: `6 T 刀具选择 ! t% g5 W+ z( i 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。 " Z- O$ Q% E5 a$ x. c 刀具几何参数：前角g0=-6°，后角a0=6°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 t& z u; `0 C& 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。 & w. I9 v* y I. ~9 R3 t7 I 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） & z5 \4 y9 A5 F/ h4 `6 X9 W% T; F8 \5 b; r! ~7 p: X+ V% H* j ) [+ j/ w7 B2 u9 {' x. X( ~5 s! Y: g8 @0 A) i8 A. o+ t! ^- j9 f9 y# ?- [9 u9 U |# I: @0 r& P6 D& u0 K$ j8 d4 n6 W! e& B" h! ^- r( j8 { 表1 试验参数与量值 8 f$ A3 X% x) K4 j. g 切削速度V m/min 进给量f mm/r 切削深度ap mm # a* |/ [( V# i2 r4 q9 i+ F; u 每刀尖平均 加工件数 241 0.12 0.8 52 4 R8 N7 T: ^9 j; ~ {6 M 193 0.12 0.8 % ?7 o9 Z8 e1 w' s& B: P 58 153 9 O; ~' b: j+ \8 ^ 0.12 0.8 76 ' I/ h m& K* c v 153 0.12 1.2 64 / Q1 j) H. i3 m2 d. Y" ]4 i 153 / t$ ?5 H+ l* E1 v# c4 l 0.14 1.2 $ }9 u0 ]5 ~0 p' Q8 K/ ]& Y% z. U8 h 60 % e) ?" B/ R M0 ?% z ( f6 l x- l0 D2 j, l5 ^1 z- @% l0 U, b9 i) A5 n: M* R% r6 x* k8 L x( i" ]1 K% o; N5 o. h6 T1 B2 [* k3 z6 a* R+ p, k. u+ a 表2 试验参数与量值 切削速度V m/min k4 t" Z: [' t5 [* u# O( t 进给量f mm/r 切削深度ap mm # `9 \3 T2 p% X$ h4 _8 b- o6 ^, S 每刀尖平均 加工件数 241 0.10 0.8 - {, d% x* O, _. A7 g/ d( Z 6 , P; @$ H" z* b( K2 Z# {6 j 193 0.10 3 C" y6 G7 W- N9 ]8 |( P 0.8 8 ^' g- g- Z0 D, g) z& c9 s 7 153 ( P9 }% g ?) ?6 q8 l; _8 G+ B$ E 0.10 0.8 5 g. w$ ^* k9 T 13 153 0.10 8 j5 {6 @" e( |+ D( |; f1 T n 1.2 8 & Y- Y8 K o- k5 I 153 * N5 `: y0 v" L6 z* m 0.12 1.2 5 - N9 L0 `% d" q( A1 c/ K 切削效果及分析 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 8 n( m+ x, k0 P M t0 g- v & c& t% p# I, t7 K 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。 4 D( W5 w' x# 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。 " Y! d) y. v( M6 J8 |$ d" [$ C 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。 2 E4 `+ E G3 z, U d+ a6 n 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。 7 M2 p5 m7 J% ]: I0 i( v 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） : {9 K/ @" C6 \4 @* z' D; B* E: s; ^: ` ` : \/ T6 i1 k& G* l" C: G. |0 \9 j* a0 g7 g0 C; z0 o! H- c8 M! }' {* x U L5 S: w/ L5 U# X/ } T; t0 F 表3 试验参数与量值 9 B( H# B) W# s+ N9 J 切削速度V m/min + {3 [4 |/ b- r/ Z1 t! @6 o R+ [ 进给量f mm/r 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 241 0.08 0.8 9 J) a9 S, _" w j* b 20 ) m& {$ \- ?. B: |' x# O( P 193 ' v& i" e2 p: ?3 q& Z& d U 0.08 0.8 23 153 2 [$ ~/ K( E1 Z) [, o" i 0.08 " L8 }1 X, q2 T6 k+ G1 e 0.8 37 153 . m* x8 l' O9 L% E5 r 0.08 & H* N/ f0 o9 j& x) H" K6 {7 U 1.2 32 153 0 L; @& {' r; b% v9 c8 U7 v- e7 t 0.10 5 N' x* O% J9 w5 U1 | 1.2 * y2 l/ }# H; M# c: B 31 # S+ y% S6 |% F7 t' ] 7 n# A- J; c8 X& J! K# |. ^ y8 A% U+ ^7 O9 E3 T! z( J9 p7 h" r) Y( ^% b9 j3 A& v 表4 试验参数与量值 切削速度V m/min ) U: ~/ G1 e5 s3 B( w* O) r 进给量f mm/r 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 193 / O8 e2 T; ~3 E# g, o 0.08 ( t; Q( f4 L& s( n4 { a. I 0.8 68 2 ^( X' V, ]: G2 {/ b 153 0.08 - U* T6 h# a! w5 K' o {: T* G 0.8 $ |4 j; r% E. y- z9 } x* c 89 $ m0 q8 ~8 b8 M9 W; ~ a, s9 ]; f+ d 153 0.08 1.2 R: J; e7 `4 Z: u7 [1 m* r u 80 ! e% S3 z$ w: e& Q 153 3 C( c- Z, V1 ~+ d 0.10 1.2 + L; h3 p3 V3 k$ ^' g( I& d, X" N4 j 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）。 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。 9 I# [8 Q. \& Z! Y" c' Q! u. { 三、结论 + y6 \, E Y6 r$ j# Z3 E 7 e" Y, F/ P$ t9 s% q/ ~5 W 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。 6 D; D2 a& r4 y5 ^' y. p' [/ i! [ _ 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。 ( w9 w* R1 V/ W 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。