用氮化硅陶瓷刀具切削難加工材料

時間:2011-05-26 08:09:00 來源:未知

1 切削冷硬鑄鐵

冷硬鑄鐵硬度很高，毛坯表面粗糙，并存在砂眼、氣孔等鑄造缺陷，加工余量較大，粗加工時一般切削深度選得較大，有很大的沖擊載荷，切削條件相當苛刻，目前還難于用陶瓷刀具進行粗車。通常先用硬質(zhì)合金刀具粗車外圓，留下0.3mm(單邊)左右的余量，再用氮化硅陶瓷刀具半精車。

刀具的破損問題
由于工件材料硬度很高，即使是半精車，刀具也易發(fā)生破損。加工時可采取如下措施：
1. 用負前角切削。負前角值不必很大，例如刀桿槽有一縱向負前角(g_p=-11°左右)，這樣，當主偏角和副偏角都為45°時，刀片本身的前角和后角均為O，安裝后主切削刃的前角為-8°，刃傾角為-8°，切削刃和副切削刃的后角均為8°。一塊刀片有八個角可用于切削。
2. 在切削刃上刃磨出負倒棱。例如b_g1=0.2mm，g₀₁=-30°，以保護刃口。
3. 選用較厚的刀片。切削時不僅切削力大，而且切削溫度也非常高，如果刀片厚度不夠，造成和刀片下表面接觸的槽表面的剛度不夠，從而使刀片表面產(chǎn)生裂紋。例如用16×16×4.5mm的刀片切削，在垂直切削刃方向產(chǎn)生了肉眼可見的裂紋，用16×16×8mm的刀片切削則無裂紋出現(xiàn)。
和硬質(zhì)合金刀具的對比
用硬質(zhì)合金刀具切削冷硬鑄鐵，切削速度一般只有10～15m/min，并且由于刀具磨損比較嚴重，車出的工件存在比較明顯的圓錐度，這將增加后道磨削工序的余量。用氮化硅陶瓷刀具切削冷硬鑄鐵，切削速度可達到35～40m/min ，如車削硬度為66～78HS(49～58HRC)、長度為803mm的軋輥，加工完一根后，后刀面磨損只有0.2～0.3mm，刀片的一個角可車削3～4根軋輥。可見用氮化硅陶瓷刀具代替硬質(zhì)合金刀具半精車冷硬鑄鐵工件，切削速度至少提高一倍以上，可獲得更高的刀具耐用度與加工精度。刀具的費用增加不多，而經(jīng)濟效益卻明顯提高。

2 切削高硬度鋼

切削高錳鋼
高錳鋼的原始硬度雖然不一定很高，但加工硬化非常嚴重，加工后硬度可提高一倍左右，切削加工性很差，用一般硬質(zhì)合金刀具很難加工，特別當加工精度或表面粗糙度要求高時，硬質(zhì)合金刀具更顯得無能為力。例如某廠加工主動車輪，材料為ZG55Mn ，調(diào)質(zhì)，硬度為169～225HB，380mm內(nèi)孔公差僅為0.045mm，內(nèi)孔錐度要求0.014/455mm，粗糙度要求為Ra1.6µm。選用多種硬質(zhì)合金刀具加工，均達不到上述質(zhì)量要求；后改用氮化硅陶瓷刀具，順利解決了問題。
另一種高錳鋼的原始硬度為280HB，初始切削后的硬度即達500～600HB ，用普通硬質(zhì)合金刀具很難加工，選用高性能硬質(zhì)合金刀具雖能加工，但效率較低，切削速度只有16m/min 。用氮化硅陶瓷刀片在切削深度和進給量不變的情況下，切削速度可達到65m/min ，加工效率提高3倍多，而且切削平穩(wěn)、輕快，工件的表面粗糙度較小，刀具磨損極小。
使用中應注意的事項：① 要連續(xù)切削，即粗車與精車或半精車連續(xù)進行。避免先粗車毛坯，然后再進行精加工；② 切削深度應在0.5mm以上，以免在硬化層中切削；③ 兩端面要預先倒角，否則進刀和出刀處刀頭易崩裂。
切削淬火鋼
一些合金淬火鋼例如W18Cr4V、Gr15、38CrMoAlA等的硬度可達58～62HRC ，很難切削，通常采用磨削方式加工，但磨削的效率很低。例如某廠的油泵套筒材料為38CrMoAlA，氮化后要切除的余量有0.5mm，如用磨削加工，需3～4小時，但用氮化硅陶瓷刀具車削加工，僅需要10分鐘，大大提高了切削效率。

3 切削高硅鋁合金#p#分頁標題#e#

高硅鋁合金的硬度雖然不高，但由于硅含量較高，材料中含有的細顆粒硅和其他合金成分具有強烈的擦傷作用，使刀具的磨損很快。

例如某廠用YG6硬質(zhì)合金刀具車削活塞，材料為高硅鋁合金，在切削速度v=465m/min時，刀具耐用度僅20分鐘左右；如使用氮化硅陶瓷刀片，在切削速度相同的情況下，耐用度為YG6的2 ～3倍。車削活塞屬于斷續(xù)切削，但氮化硅陶瓷刀具仍能勝任。對于含硅量更高的鋁合金，切削加工性更差，如果用氮化硅陶瓷刀具仍不夠滿意，可以改用金剛石刀具加工。

4 切削堆焊鈷基合金

某廠的排氣閥材料為鈷基合金，硬度為40～50HRC。毛坯表面是堆焊的硬皮，高低不平，加工時呈斷續(xù)車削狀態(tài)。用硬質(zhì)合金刀具粗車時，切削條件為a_p＝1mm，f=0.15mm/r ，v=21m/min ；用氮化硅陶瓷刀具加工時，切削深度與進給量保持不變，可將切削速度提高至53m/min ，切削效率提高1.5倍，刀具耐用度延長2～4倍。

5 車削與銑削噴(堆)焊鎳基合金

鎳基合金的特點：①高溫強度很高，即使在600～800 ℃條件下，仍保持很高的強度與硬度，這將使切削力大幅度提高，要求刀具的高溫硬度和高溫強度較高；②加工硬化嚴重，這將進一步增大切削力，使刀具承受很大的負荷，容易引起刀具破損，要求刀具應具有很高的斷裂韌性；③導熱系數(shù)低，切削時在刀具表面將產(chǎn)生很高的溫度，要求刀具材料有很高的高溫硬度；④含有許多碳化物、氮化物等硬質(zhì)點，極易磨損刀具，要求刀具應具有良好的耐磨性。由于第三與第四點，刀具材料可選擇硬質(zhì)合金或陶瓷，但這兩種材料的強度較低，脆性較高，容易破損。特別在加工噴(堆)焊鎳基合金時，由于表面嚴重高低不平，屬于斷續(xù)切削。兩種刀具中，陶瓷刀具更易破損，但只要應用得當，即使是陶瓷刀具也完全可以勝任。

解決刀具破損的措施
下面以端銑噴焊鎳基合金為例，說明如何防止刀具破損。工件為油井井口閘閥閥板，在鋼基體的表面上噴焊了一層鎳基合金，其成分為：C O.5～1.0%，F(xiàn)e 10～13% ，Cr 9～12% ，B 3.0～4.0% ，Si 2.5～3.5% ，Ni余量。噴焊鎳基合金的硬度為50～55HRC。工件為長方形扁平板，銑削面積為184×85mm²時。噴焊表面極為粗糙，高低不平相差達到1～1.5mm。用Ø200mm面銑刀在X53立式銑床上加工，單齒，刀片為上海硅酸鹽研究所研制的氮化硅刀片，尺寸為16×16×4.5mm，用機械夾固方法夾緊在銑刀盤上。
1. 用負前角切削：前角的選擇是解決崩刃的關(guān)鍵。由于刀體上刀片軸向前角為4°，徑向前角為0°，當主偏角為45°時，如果刀片本身的前角為0°，則安裝后切削刃的實際前角為2.8°。為保護切削刃，應磨出寬度為0.1mm的負倒棱，負倒棱前角為-30°。由于鎳基合金和前刀面的接觸長度大，因此起主要切削作用的還是負倒棱后的前刀面。刀片本身為0°前角時，實際上是以正前角形式進行切削，在這樣沉重的沖擊載荷作用下，刀片強度顯得明顯不足。在切削速度為47m/min 時，無論將銑削深度從1.0mm減小到0.5mm或0.3mm，進給量從0.31mm/齒減小到0.2或O.12mm/齒，或用YG6 硬質(zhì)合金刀片，或用強度更高的熱壓氮化硅刀片都不能解決崩刃問題。只有將刀片本身前角刃磨成-10°或一15°，改善刀具內(nèi)的應力分布狀態(tài)，才可有效防止崩刃。
2. 控制切削速度：切削速度選擇不當，即使用了負前角，崩刃仍會發(fā)生。如采用上述加工條件，在切削速度為47m/min 時，銑削幾個行程也未發(fā)生崩刃；但當切削速度提高到60m/min 時，雖然其他條件都不變，銑削不到一個行程，刀齒即崩壞。切削速度的提高，使沖擊載荷也隨之增大，以至崩刃不可避免。銑削噴焊鎳基合金和銑削灰鑄鐵不同，銑削灰鑄鐵時，當銑削深度a#p#分頁標題#e#_p=1mm，進給量為0.787mm/齒時，即使切削速度提高到v=589m/min ，也不會發(fā)生崩刃。

經(jīng)濟效益對比

車削以某廠的堆焊鎳基合金柴油機排氣閥推桿為例。Ni含量約77.5%，其他成分為：Cr 12% ，C O.5%，Si 3.5%，F(xiàn)e 4.0%，B 2.5%；硬度為51～54HRC ，切削表面為圓錐面，表面上有堆焊缺陷，用YG6硬質(zhì)合金刀具車削，最高切削速度為23.9m/min，切削深度為1mm，進給量為0.1mm/r。用氮化硅陶瓷刀具切削，切削深度和進給量不變，最高切削速度提高到37.6m/min ，在同樣的磨鈍標準下(VB=0.6mm) ，氮化硅陶瓷刀具的切削長度是硬質(zhì)合金刀具的4.5倍。此外，還將國產(chǎn)圓形和方形氮化硅陶瓷刀片和進口的同類型刀片進行了比較，結(jié)果在抗破損性、耐磨性和加工表面粗糙度等方面都不相上下，國產(chǎn)刀片完全可以替代進口刀片。
銑削噴焊鎳基合金閥板加工非常困難，某廠原來采用金剛石砂輪在一般平面磨床上磨削，磨一塊閥板約需200分鐘；而用單齒銑刀銑削一塊閥板則只需70分鐘，提高效率近兩倍；如以多齒銑刀銑削則效率還可大大提高。每片金剛石砂輪價格為3800元，只能加工200件閥板，每塊閥板的磨削成本為19元；采用氮化硅陶瓷刀具銑削，每片刀片價格為20元，一片刀片至少可加工4塊閥板，每塊閥板的銑削加工成本為5元，直接經(jīng)濟效益提高近4倍。如每片刀片不止加工4塊閥板，或刀片重磨后再用，則經(jīng)濟效益還可提高。此外，磨削時噴焊層的切屑無法回收，工人勞動條件差；采用銑削加工，切屑可以回收，工人勞動條件也得到改善。

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