陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

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7 ?$ t6 _: p6 ]; l$ m4 a N: k' g- o<% if pyg2("img")<>"" then%> . }& U. ^! w s7 [: r) H( @# v l% }7 v5 k' W; j: u+ y2 L \<%end if%>7 t" z8 |. V2 `2 ^* ]$ T1 m

! |7 n$ ^; ]3 ^7 ? l2 l2 K- `& U6 A6 V0 m$ `' {! k7 z; y4 H/ R3 y# @/ E 7 L# |$ G* t5 l L& R: p5 J, [6 |" n 图1 气阀加工示意图(局部) 一、引言 0 C( N9 A: }. y# ^ 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 , e0 Z3 H4 j" N; o # K K3 U* P; `$ { 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。 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 0 U; P4 u' }5 m! M# i8 z) C0 B% P 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。 % Y$ j4 ~+ g0 w: Z; K; x 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） ; L4 v; Q: I" E2 }, w) D. S( q# i6 M/ b& X, t" [ & K2 T2 @9 [0 x' Z( `0 q/ u8 ?2 I2 u1 C# c0 ^# x g; y& V) I- Z$ q5 I' B+ W' p7 k# P- u& [0 r5 m$ }( C% @! _1 g/ _7 S4 }! @" ?6 A7 ?- Y! ^& j+ _8 h 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 ; y* q7 X1 s: ?6 f/ I 每刀尖平均 加工件数 241 6 W0 x: ~* @! g 0.12 * \5 i! |" N: |; v6 M. Y! S 0.8 $ B2 \+ z8 p" i. X+ C 52 : F7 v7 L9 t2 m4 { 193 ' @6 R9 ~- G9 i 0.12 0.8 6 f z5 B% @) V0 M6 \ 58 8 U" }' m% v: I7 u0 {1 C5 j 153 0.12 7 B( [; I7 h/ L! v4 J) Y7 i 0.8 76 153 - R) i; B; Q4 w1 g* M( X& I1 h 0.12 6 C2 `. f6 M, R5 A 1.2 64 8 k: }* q( l( R* C 153 0.14 : i, v- b9 z/ \7 f+ K 1.2 60 3 U3 ?* r" O% {* g - M' L6 u. U; Y3 r$ _% L9 r8 `* ^6 j g7 V. r4 u) K5 E D7 I6 w& v$ d8 X0 ^ F: b" {; Q0 K$ V9 R/ e" L4 ?- b1 r8 r" z3 f* E$ @% ]6 P 表2 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 - W. O F6 B! w/ H# s$ a8 i 每刀尖平均 加工件数 241 ) Y7 u. P$ N! x% _* Z/ D. n5 E 0.10 0.8 2 m* ~% ], @' K, ^% L8 f1 @ 6 - f9 C, P, K+ |9 q6 y! X3 K 193 0.10 0.8 7 + F. |6 p7 Z# `/ L# L( h H! S3 q3 G' L 153 - n) C5 Q1 N! z$ u4 Z+ [! f 0.10 $ S4 Y2 g, Z$ v9 k; [/ O9 m 0.8 9 R$ j8 Y; y/ e$ i. d9 l" E' x3 j 13 ) O7 j6 o+ p5 S% l: ?. l 153 " S" G. S. r4 f9 q& B; |' I 0.10 1.2 8 153 0.12 1.2 5 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。 5 Z4 D4 Y; L1 V, \ 刀具损坏原因分析 ( w$ q( X$ P9 X s% \ 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。 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。 3 s# i+ X! r6 d4 U 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。 u' V2 `: A2 x! l7 {8 R+ c 陶瓷刀片切削钴基合金的试验 . w3 |, D! p! X. P0 m8 t3 b/ Z 陶瓷刀片切削钴基合金的试验（见表3） 9 @1 d8 J: r# ?' `4 H& s/ M, ?$ O% }3 m : `' {/ o6 V- n6 T1 i6 t/ ]* w- `/ L8 N6 ?9 ~1 P. t4 D: _6 K8 E+ [1 G, u8 t# [/ w3 \+ a5 A" M2 n8 b6 X0 P8 ]/ U) E) ?1 O4 `# v2 X; O$ f7 x' m' m) k4 e3 w h. o, l 表3 试验参数与量值 ; e3 x+ j& W* F: i 切削速度V m/min 进给量f mm/r 切削深度ap mm / W5 F/ d6 B$ R) z( u N( y 每刀尖平均 加工件数 0 E5 P/ V9 m2 {4 v- ~ E+ q, g 241 \, S& y$ @) t" l% r) p 0.08 0.8 ) Q* x; x+ O! L7 V- [% c+ F 20 1 ~0 G8 m: d8 c* |4 u1 f2 k 193 0.08 . h& N+ y1 y2 \" O+ O 0.8 23 153 5 z- }3 _2 j$ y6 G9 _$ O% B$ ` 0.08 0.8 37 . H/ l9 a6 _. f, c' F7 B 153 - V2 ^2 w2 N0 M) ~6 s* l( J; Z 0.08 ( [1 y/ i+ n* _ 1.2 % }9 j$ g1 o7 I/ T1 e* T$ I G1 X 32 8 Q. ~ H; n# i1 Q& B; B 153 0.10 0 E1 D% o/ ^" N { 1.2 , i% Q/ k. [3 }5 D 31 , y$ a. Z0 }7 z7 j6 j; \5 [. {3 _' t, G, L# d 表4 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 + @( Q! ^+ y; v' \+ ? 每刀尖平均 加工件数 9 U2 H# i# v! g3 [/ c- o 193 0.08 0.8 68 : y, i6 {* r4 H 153 0.08 0.8 5 p) H! ?& U, y7 d* `/ O1 R 89 153 0.08 . A+ u% B& p$ I& b4 r: U 1.2 80 153 6 W( v8 N; \8 [( }$ z8 U& ` 0.10 7 D" Y! P! {7 S& u 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）。 " h) [# `" o+ D* p2 L 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。 . ~! g4 B, @4 H 三、结论 0 Z6 Q& y& |3 `4 J8 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。 |& T5 D& O7 F1 | 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° 。 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。

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