陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

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9 j3 Y) M3 K% O4 w6 M. w) o<% if pyg2("img")<>"" then%> 8 @* `% u9 Y5 j1 n, U7 I# x1 v0 {3 G& N$ E$ ~<%end if%> 0 k% x. p a( f/ s' ]; O- `0 A3 v- `$ k: j" ]2 t

3 m8 G/ \) v% g' f/ V. z7 u/ ^: e - p, _# U2 g* r+ V& h3 b! ?2 G! [3 l# e# B5 ~ 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。 ; q% E. e) ]4 c& Z5 f2 K$ I 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。 : u# a" o3 u: R/ b8 [ 二、陶瓷刀具的应用试验 ; g: u( f2 r. d& s4 T 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。 % w9 B$ E3 ~% h! |; I y 刀具几何参数：前角g0=-6°，后角a0=6°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 " l& R6 O. A5 B7 _* v 切削试验 ' m( m) M& T7 D8 p% e8 Z! [ 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。 7 \# y* M2 N6 _1 y , G. K; X& Q5 w; C- R* G 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） 1 n9 Q* ?( R5 G% [( c+ @7 W2 }- J2 s2 Z0 F5 `- A. _% U* b( h; R/ J8 Z 0 q* y& J. M. o. P% k9 _. \8 c* e+ K; Q$ w% q- s3 S, X& y0 ^: X. f- h- @( _ 表1 试验参数与量值 & y$ ^/ ?: ]% R+ N/ D+ {& C p! i 切削速度V m/min * d$ M8 E2 k' W% @6 @2 Q 进给量f mm/r 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 241 0.12 0.8 3 H h% q3 u, ]( W6 u a: u: _ 52 193 0.12 6 J1 o' F' m2 o# C+ U5 U( v 0.8 58 153 2 r- M2 r t) q& o3 u/ u e# T 0.12 0.8 ' ]) }/ ]- T: ~! Q$ [ 76 + U# t2 U( J; e. f2 `$ i$ r0 z4 _ 153 0.12 1.2 64 153 0.14 1.2 1 A E7 j( R6 [. u3 ` 60 0 Q I3 |8 q$ n) x* @" `, l* k& y0 i q, h9 f5 Y4 g) `8 E A) [1 r; n; S/ j$ w5 m: a) Y8 a h1 i7 k5 E 表2 试验参数与量值 $ b0 t7 I) w% l3 Z 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 3 v! F, B2 w3 S; U5 _% V/ W 241 0.10 # t& w# o ~2 ?, I* `/ I0 ^& ]3 T' M 0.8 6 J8 |9 |2 j7 v# V" _4 l G 193 " j2 K, D8 z, y* V! a 0.10 0.8 + O& B' U, D( }" `0 ?& q 7 153 / n* t( B/ t0 H' M9 [0 N8 K4 S& M 0.10 ! _; H) k3 c, G 0.8 13 153 0.10 0 y [, [' z3 ^& P# w 1.2 1 E6 }+ Y: u2 ~+ I 8 W# {4 C% o8 _& M! p% X- x( ^ 153 0.12 # P- G u4 W5 Y% g, Y, \ 1.2 7 L# r. Z6 v* r 5 切削效果及分析 9 T- a+ ], V4 @# b; g* g 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。 8 x* V7 y: a, ~' [ 刀具损坏原因分析 9 b, @5 D+ ~6 e- H8 |* K, v1 ]: M 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。 " H# E9 p4 D$ M q 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。 ! w6 }, H$ `( O1 }) Z 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。 , f4 a. @* f* [ 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） : A, d- g" M6 t- t1 R% l/ f' [$ T S( ^) K: D& b0 b. Y- w0 ]3 @9 Z + m0 ?! h8 R; T, a& J4 D* D; _2 k1 U% W9 B, ?3 | r+ R# D- d: ]0 Z 表3 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 每刀尖平均 加工件数 241 / u. \1 ]2 Q7 I 0.08 0.8 7 u( h8 h4 _( g+ D$ g 20 193 0.08 " g4 B$ z% k: Y5 o) q% k0 t 0.8 ; G- e5 C3 ]- V7 Y0 x 23 0 ]1 Z: h+ n6 ~/ l4 w# ?7 T& |' K' z 153 1 _ }- C& ^7 Y O9 t( P 0.08 ( w( `& h3 K" H/ u- ~/ V2 e 0.8 37 153 0.08 6 [' B ^9 }0 ?+ Z$ r0 p8 ~& U 1.2 e2 g' p: F7 T# b: s 32 * H4 U# D! O% D5 z( Y+ n: Z9 [" U 153 0.10 " D( j, t# K9 ?* H5 G5 |9 ? 1.2 1 T4 ?0 h! u6 s% B8 h7 h 31 ; {- p+ x, |' M! V" T, ]& x2 P$ r( k2 {8 I" B" c2 p8 D0 b" S) @ 表4 试验参数与量值 ! |4 s( u$ `& K; r. G 切削速度V m/min 进给量f mm/r 切削深度ap mm 5 E7 K) o: M# \# R" R( O+ _ 每刀尖平均 加工件数 193 0.08 0.8 68 153 0.08 0.8 ) y* N2 q9 p3 u' [( d! J- ` 89 + d. \' L6 g$ f' N 153 9 F% S: j* N2 m2 [0 L 0.08 1.2 % Y. H0 d3 V6 E3 K 80 153 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）。 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。 + q& s: T5 ^( z& Q2 @, ?6 ^! k: \ 三、结论 ?8 U6 m5 K* i8 V4 V: o+ r Y, U4 k$ O 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。 - y9 Y8 r u8 o/ ?) w 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 & w1 f% K( N; I- P: \ 前角g0=-12°，后角a0=12°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 % O Q' Q; y& _" Z$ b9 a- w 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。