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，從而使刀片表面產生裂紋。例如用16×16×4.5mm的刀片切削，在垂直切削刃方向產生了肉眼可見的裂紋，用16×16×8mm的刀片切削則無裂紋出現。
和硬質合金刀具的對比
用硬質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 ，調質，硬度為169～225HB，380mm內孔公差僅為0.045mm，內孔錐度要求0.014/455mm，粗糙度要求為Ra1.6µm。選用多種硬質合金刀具加工，均達不到上述質量要求；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 ，用普通硬質合金刀具很難加工，選用高性能硬質合金刀具雖能加工，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、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 要連續切削，即粗車與精車或半精車連續進行。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，加工時呈斷續車削狀態。用硬質合金刀具粗車時，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導熱系數低，切削時在刀具表面將產生很高的溫度，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%，Fe 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°，改善刀具內的應力分布狀態，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 ，也不會發生崩刃。

經濟效益對比

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%，Fe 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合金刀具的4.5倍。此外，還將國產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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