用氮化硅陶瓷刀具切削难加工材料

魔神

    

1 切削冷硬铸铁

冷硬铸铁硬度很高，毛坯表面粗糙，并存在砂眼、气孔等铸造缺陷，加工余量较大，粗加工时一般切削深度选得较大，有很大的冲击载荷，切削条件相当苛刻，目前还难于用陶瓷刀具进行粗车。通常先用硬质合金刀具粗车外圆，留下0.3mm(单边)左右的余量，再用氮化硅陶瓷刀具半精车。

1. 刀具的破损问题
   由于工件材料硬度很高，即使是半精车，刀具也易发生破损。加工时可采取如下措施：

   1. 用负前角切削。负前角值不必很大，例如刀杆槽有一纵向负前角(g_p=-11°左右)，这样，当主偏角和副偏角都为45°时，刀片本身的前角和后角均为O，安装后主切削刃的前角为-8°，刃倾角为-8°，切削刃和副切削刃的后角均为8°。一块刀片有八个角可用于切削。
   2. 在切削刃上刃磨出负倒棱。例如b_g1=0.2mm，g₀₁=-30°，以保护刃口。
   3. 选用较厚的刀片。切削时不仅切削力大，而且切削温度也非常高，如果刀片厚度不够，造成和刀片下表面接触的槽表面的刚度不够，从而使刀片表面产生裂纹。例如用16×16×4.5mm的刀片切削，在垂直切削刃方向产生了肉眼可见的裂纹，用16×16×8mm的刀片切削则无裂纹出现。
2. 和硬质合金刀具的对比
   用硬质合金刀具切削冷硬铸铁，切削速度一般只有10～15m/min，并且由于刀具磨损比较严重，车出的工件存在比较明显的圆锥度，这将增加后道磨削工序的余量。用氮化硅陶瓷刀具切削冷硬铸铁，切削速度可达到35～40m/min ，如车削硬度为66～78HS(49～58HRC)、长度为803mm的轧辊，加工完一根后，后刀面磨损只有0.2～0.3mm，刀片的一个角可车削3～4根轧辊。可见用氮化硅陶瓷刀具代替硬质合金刀具半精车冷硬铸铁工件，切削速度至少提高一倍以上，可获得更高的刀具耐用度与加工精度。刀具的费用增加不多，而经济效益却明显提高。

2 切削高硬度钢

1. 切削高锰钢
   高锰钢的原始硬度虽然不一定很高，但加工硬化非常严重，加工后硬度可提高一倍左右，切削加工性很差，用一般硬质合金刀具很难加工，特别当加工精度或表面粗糙度要求高时，硬质合金刀具更显得无能为力。例如某厂加工主动车轮，材料为ZG55Mn ，调质，硬度为169～225HB，380mm内孔公差仅为0.045mm，内孔锥度要求0.014/455mm，粗糙度要求为Ra1.6µm。选用多种硬质合金刀具加工，均达不到上述质量要求；后改用氮化硅陶瓷刀具，顺利解决了问题。
   另一种高锰钢的原始硬度为280HB，初始切削后的硬度即达500～600HB ，用普通硬质合金刀具很难加工，选用高性能硬质合金刀具虽能加工，但效率较低，切削速度只有16m/min 。用氮化硅陶瓷刀片在切削深度和进给量不变的情况下，切削速度可达到65m/min ，加工效率提高3倍多，而且切削平稳、轻快，工件的表面粗糙度较小，刀具磨损极小。
   使用中应注意的事项：① 要连续切削，即粗车与精车或半精车连续进行。避免先粗车毛坯，然后再进行精加工；② 切削深度应在0.5mm以上，以免在硬化层中切削；③ 两端面要预先倒角，否则进刀和出刀处刀头易崩裂。
2. 切削淬火钢
   一些合金淬火钢例如W18Cr4V、Gr15、38CrMoAlA等的硬度可达58～62HRC ，很难切削，通常采用磨削方式加工，但磨削的效率很低。例如某厂的油泵套筒材料为38CrMoAlA，氮化后要切除的余量有0.5mm，如用磨削加工，需3～4小时，但用氮化硅陶瓷刀具车削加工，仅需要10分钟，大大提高了切削效率。

3 切削高硅铝合金

高硅铝合金的硬度虽然不高，但由于硅含量较高，材料中含有的细颗粒硅和其他合金成分具有强烈的擦伤作用，使刀具的磨损很快。

例如某厂用YG6硬质合金刀具车削活塞，材料为高硅铝合金，在切削速度v=465m/min时，刀具耐用度仅20分钟左右；如使用氮化硅陶瓷刀片，在切削速度相同的情况下，耐用度为YG6的2 ～3倍。车削活塞属于断续切削，但氮化硅陶瓷刀具仍能胜任。对于含硅量更高的铝合金，切削加工性更差，如果用氮化硅陶瓷刀具仍不够满意，可以改用金刚石刀具加工。

4 切削堆焊钴基合金

某厂的排气阀材料为钴基合金，硬度为40～50HRC。毛坯表面是堆焊的硬皮，高低不平，加工时呈断续车削状态。用硬质合金刀具粗车时，切削条件为a_p＝1mm，f=0.15mm/r ，v=21m/min ；用氮化硅陶瓷刀具加工时，切削深度与进给量保持不变，可将切削速度提高至53m/min ，切削效率提高1.5倍，刀具耐用度延长2～4倍。

5 车削与铣削喷(堆)焊镍基合金

镍基合金的特点：①高温强度很高，即使在600～800 ℃条件下，仍保持很高的强度与硬度，这将使切削力大幅度提高，要求刀具的高温硬度和高温强度较高；②加工硬化严重，这将进一步增大切削力，使刀具承受很大的负荷，容易引起刀具破损，要求刀具应具有很高的断裂韧性；③导热系数低，切削时在刀具表面将产生很高的温度，要求刀具材料有很高的高温硬度；④含有许多碳化物、氮化物等硬质点，极易磨损刀具，要求刀具应具有良好的耐磨性。由于第三与第四点，刀具材料可选择硬质合金或陶瓷，但这两种材料的强度较低，脆性较高，容易破损。特别在加工喷(堆)焊镍基合金时，由于表面严重高低不平，属于断续切削。两种刀具中，陶瓷刀具更易破损，但只要应用得当，即使是陶瓷刀具也完全可以胜任。

1. 解决刀具破损的措施
   下面以端铣喷焊镍基合金为例，说明如何防止刀具破损。工件为油井井口闸阀阀板，在钢基体的表面上喷焊了一层镍基合金，其成分为：C O.5～1.0%，Fe 10～13% ，Cr 9～12% ，B 3.0～4.0% ，Si 2.5～3.5% ，Ni余量。喷焊镍基合金的硬度为50～55HRC。工件为长方形扁平板，铣削面积为184×85mm²时。喷焊表面极为粗糙，高低不平相差达到1～1.5mm。用Ø200mm面铣刀在X53立式铣床上加工，单齿，刀片为上海硅酸盐研究所研制的氮化硅刀片，尺寸为16×16×4.5mm，用机械夹固方法夹紧在铣刀盘上。

   1. 用负前角切削：前角的选择是解决崩刃的关键。由于刀体上刀片轴向前角为4°，径向前角为0°，当主偏角为45°时，如果刀片本身的前角为0°，则安装后切削刃的实际前角为2.8°。为保护切削刃，应磨出宽度为0.1mm的负倒棱，负倒棱前角为-30°。由于镍基合金和前刀面的接触长度大，因此起主要切削作用的还是负倒棱后的前刀面。刀片本身为0°前角时，实际上是以正前角形式进行切削，在这样沉重的冲击载荷作用下，刀片强度显得明显不足。在切削速度为47m/min 时，无论将铣削深度从1.0mm减小到0.5mm或0.3mm，进给量从0.31mm/齿减小到0.2或O.12mm/齿，或用YG6 硬质合金刀片，或用强度更高的热压氮化硅刀片都不能解决崩刃问题。只有将刀片本身前角刃磨成-10°或一15°，改善刀具内的应力分布状态，才可有效防止崩刃。
   2. 控制切削速度：切削速度选择不当，即使用了负前角，崩刃仍会发生。如采用上述加工条件，在切削速度为47m/min 时，铣削几个行程也未发生崩刃；但当切削速度提高到60m/min 时，虽然其他条件都不变，铣削不到一个行程，刀齿即崩坏。切削速度的提高，使冲击载荷也随之增大，以至崩刃不可避免。铣削喷焊镍基合金和铣削灰铸铁不同，铣削灰铸铁时，当铣削深度a_p=1mm，进给量为0.787mm/齿时，即使切削速度提高到v=589m/min ，也不会发生崩刃。

经济效益对比

1. 车削 以某厂的堆焊镍基合金柴油机排气阀推杆为例。Ni含量约77.5%，其他成分为：Cr 12% ，C O.5%，Si 3.5%，Fe 4.0%，B 2.5%；硬度为51～54HRC ，切削表面为圆锥面，表面上有堆焊缺陷，用YG6硬质合金刀具车削，最高切削速度为23.9m/min，切削深度为1mm，进给量为0.1mm/r。用氮化硅陶瓷刀具切削，切削深度和进给量不变，最高切削速度提高到37.6m/min ，在同样的磨钝标准下(VB=0.6mm) ，氮化硅陶瓷刀具的切削长度是硬质合金刀具的4.5倍。此外，还将国产圆形和方形氮化硅陶瓷刀片和进口的同类型刀片进行了比较，结果在抗破损性、耐磨性和加工表面粗糙度等方面都不相上下，国产刀片完全可以替代进口刀片。
2. 铣削 喷焊镍基合金阀板加工非常困难，某厂原来采用金刚石砂轮在一般平面磨床上磨削，磨一块阀板约需200分钟；而用单齿铣刀铣削一块阀板则只需70分钟，提高效率近两倍；如以多齿铣刀铣削则效率还可大大提高。每片金刚石砂轮价格为3800元，只能加工200件阀板，每块阀板的磨削成本为19元；采用氮化硅陶瓷刀具铣削，每片刀片价格为20元，一片刀片至少可加工4块阀板，每块阀板的铣削加工成本为5元，直接经济效益提高近4倍。如每片刀片不止加工4块阀板，或刀片重磨后再用，则经济效益还可提高。此外，磨削时喷焊层的切屑无法回收，工人劳动条件差；采用铣削加工，切屑可以回收，工人劳动条件也得到改善。