陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

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]/ E7 Q7 V5 {, `6 \' t, t+ F0 E; q, g: `3 w0 k; B! o7 ^) Y; n. \2 Q, Z<% if pyg2("img")<>"" then%><%end if%>4 t, Q/ K/ |' S9 V- I4 H

) M4 G# Y) _ {; R! a7 U # E) S* J3 W$ `( \& U5 e" B5 E0 x6 B' W- c9 a% M+ e: }8 Q; Z8 D 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。 , z8 j& Y1 ?( B1 _5 @ 二、陶瓷刀具的应用试验 : y; G. q- \ w/ L 刀具选择 ; X0 V8 ^5 S/ z" F/ v4 U7 O- D 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。 & l+ D o5 ?6 p. C1 p) [7 X4 \ 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 # x9 U/ o; ~8 X' x 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 c, `( d' s1 ~7 @ / I! y0 Q- D- ]- z6 H0 J; H 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） 0 h- n" s9 ^; E" @$ u5 n' @* G3 H+ Q( n* f) L7 `( J1 W n1 |5 X9 _ , \) v+ M- Z" [4 j0 W, |# t2 a! `5 S( |8 Y$ w: m# a# d) v; X( Z$ Z- P3 |8 t3 i6 Z/ W3 I B4 O0 r5 M4 @7 G$ s! j6 n8 L( o3 ~& l! D: W' A3 O6 R, [* |7 Q& }7 e 表1 试验参数与量值 . G' `3 r: f$ M7 y- j& p: Y 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 0.12 5 v4 Z2 G; ^$ C' X+ Q) y$ G" p, v- |, G 0.8 - x* Y8 [+ Z' v: E k* W 52 193 3 j+ M* V8 v: P7 N( D9 p 0.12 - O( z( U" F& R' j) ~- c 0.8 9 Q5 h* n2 F2 S# W4 }0 Z6 x 58 153 : Q- V y/ j5 ~ 0.12 5 [- g, ?( {' s+ ?" x 0.8 76 153 0.12 1.2 " {( g- p2 y' B 64 c: B" {4 G. U% w4 k" I |7 X 153 0.14 1.2 60 . q7 h3 r+ I6 b9 Y9 L& l# ` , x' i, ]$ |" K: E. x. y* Y ( l7 d) A3 b" v4 @* Q, j- u9 a' o- B5 F( [# T$ r6 L9 O4 F2 C% a* M$ O+ m# ? s2 P+ \. C! H e3 T7 j( e: k7 @6 u) D% R3 r0 G7 Q9 i% n0 r- [* J 表2 试验参数与量值 切削速度V m/min G# Z) F- e3 ?% W; B 进给量f mm/r 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 5 t' i9 g0 o, c# e4 U 241 9 {5 e: V# O q- w1 N 0.10 , u, ]6 q& m) V; R) E( H 0.8 6 193 0.10 . W5 n) X5 U b4 c 0.8 ! l& U) G+ W( O& R: ~ 7 1 T* A! a& N7 c' A9 ` E. r+ d 153 ) q2 x5 B8 w8 J) S6 i% h6 D+ ^ 0.10 9 u. G( U+ ^/ j 0.8 13 " P6 n- G* Q3 c# u. @ 153 - z- k7 i9 U/ |0 Q9 n 0.10 1.2 8 153 0.12 : Q& x) n2 r1 W4 i; ]" B3 C 1.2 5 ) h2 K B2 j0 v+ z 切削效果及分析 3 p/ T$ |- G, o( X/ T; |1 a, S 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。 - _/ y) Q$ F. Q+ o 刀具损坏原因分析 o9 w5 |7 e7 ^+ F6 l7 u 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。 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。 ) X1 V4 g% T( h7 n. c& T, A 陶瓷刀片切削钴基合金的试验 # A% V! s+ U+ I; T0 s 陶瓷刀片切削钴基合金的试验（见表3） ) x% _+ l$ U: o( A5 j* c2 P; `6 i; X- z% ?% W$ B; i, D 4 {/ N2 t+ U( }# }/ ^/ v- @" W8 o; R$ ^( Q) h, J 表3 试验参数与量值 ( V5 r: @ @+ ^9 L& q 切削速度V m/min }) T9 }2 p7 j7 i3 { 进给量f mm/r & g& N0 x' n/ ?1 a# o3 N 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 7 ?7 q0 n6 |* d# U 241 ; r. ~, J; ~4 U4 `1 f4 k 0.08 ( }. j( A: t' J7 Q& g 0.8 20 193 0.08 0.8 23 9 ~* J' F) J4 G+ S! a; G; F+ B 153 0.08 - O1 T/ x( t) ?* y) d6 R* ` 0.8 37 153 0.08 1.2 32 ; z" b5 k& Q. ]' S* O 153 s" |+ H( A5 q) w& T/ W 0.10 1.2 3 F# h1 O7 H) Q0 N) N$ [ 31 - q8 ?+ L" C' V( h3 J4 b9 [- P3 \3 j! v8 G- ?1 Q* l+ Z( B* z# V) _$ G& ?/ \4 o$ d- b: B1 p4 ?* ^2 l- _- _5 i1 {3 C 表4 试验参数与量值 切削速度V m/min ; X" a D1 p+ X" _# y3 B y 进给量f mm/r 切削深度ap mm 每刀尖平均 加工件数 ( D: B! N& D N8 i/ d 193 ; m& G, \% c( q" l8 B& C: I$ F# r; e 0.08 0.8 & |! L' g( j0 N) J6 @ 68 153 ( U! V3 d: D1 E" ^5 L4 u: e% `" H 0.08 ; J) y5 W/ x9 c0 a# R 0.8 89 ) B9 q' ]; H2 c/ M9 I- R 153 0.08 2 D( Y7 G7 z: D5 Y" b# }7 j 1.2 80 153 0.10 4 b* ~: ?" b& X9 c 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。 3 S# t @7 ]+ A0 ? 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）。 # g% |) l' m/ G* d, p2 j 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。 A h. m7 I3 j- s: n. q+ N& } 三、结论 & x" p) O4 Q$ P- r$ w, U2 W Z . \3 u) t2 E4 g% j$ Y+ j/ B 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。 * K7 Q; z& H" `" @$ q 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 m9 o' T! s- ~$ M1 d4 z2 k4 v9 I 刀具几何参数 . u' }( V1 [4 ^! [6 @ 前角g0=-12°，后角a0=12°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6° 。 ) {( p7 g; x- k/ } 机床—工件—刀具系统要有良好的刚性。 ! A5 H9 o) F6 q1 @ i+ D2 @* m Y 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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