陶瓷刀具加工高硬度材料的實踐
時間:2011-05-27 08:42:31 來源:未知
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圖1 氣閥加工示意圖(局部)
一、引言
190系列柴油機的氣閥工作環(huán)境惡劣，其母體材料分別為：進氣閥，4Cr9Si2；排氣閥，4Cr14Ni14W2Mo。這兩種材料經(jīng)熱處理后本身硬度就比較高，達到了48～52HRC。為提高氣閥密封線的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊的能力，分別采用進氣閥堆焊鈷基合金，排氣閥堆焊鉻基合金(如圖1所示)。此類合金強度及硬度都較高，機械加工性極差。采用YG3硬質(zhì)合金刀具加工鉻基合金時，刀具損壞嚴重；而對鈷基合金則根本無法加工。
為了解決這一問題，采用陶瓷刀具進行加工試驗。陶瓷刀具以硬度高而著稱，具有良好的耐磨及耐高溫等綜合性能，特別適合加工高強度、高硬度材料，對高速切削，高精度加工有其獨到之處，并且具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性。刀具制造工藝簡單、刃磨方便、價格低廉、耐用度高。美中不足的是其抗沖擊載荷能力較差，常產(chǎn)生脆性破損(即崩刃)。但若選擇合理的切削用量，設計恰當?shù)牡毒邘缀螀?shù)，改善刀具的受力狀態(tài)，就能獲得比較滿意的加工效果。
二、陶瓷刀具的應用試驗
- 刀具選擇
- 針對被加工材料硬度高(約50HRC)，切削溫度高（約1000℃左右）的特點，決定選用LT55陶瓷刀片進行切削試驗。刀片成分：Al2O3+TiC+Mo+Ni；技術(shù)指標：硬度93.7～94.8HRA，抗彎強度1.0～1.2GPa，沖擊韌性≥20kJ/m2；刀具選用可轉(zhuǎn)位型，其型號為：CSS-NR2020R09 GB5343.2-93。
- 刀具幾何參數(shù)：前角g0=-6°，后角a0=6°，主偏角kr=45°，刃傾角ls=-6° 。
- 切削試驗
- 為獲得理想的加工效果，采用不同的切削參數(shù)，對鉻基合金與鈷基合金進行切削試驗，尋找合理的切削用量。
- 鉻基合金、鈷基合金的切削試驗
- 鉻基合金的切削試驗(見表1)，鈷基合金的切削試驗（見表2）
表1 試驗參數(shù)與量值
切削速度V
m/min
進給量f
mm/r
切削深度ap
mm
每刀尖平均
加工件數(shù)
241
0.12
0.8
52
193
0.12
0.8
58
153
0.12
0.8
76
153
0.12
1.2
64
153
0.14
1.2
60
表2 試驗參數(shù)與量值
切削速度V
m/min
進給量f
mm/r
切削深度ap
mm#p#分頁標題#e#
每刀尖平均
加工件數(shù)
241
0.10
0.8
6
193
0.10
0.8
7
153
0.10
0.8
13
153
0.10
1.2
8
153
0.12
1.2
5
- 切削效果及分析
- 從以上試驗可以看出，LT55陶瓷刀片加工鉻基合金效果較好，與硬質(zhì)合金刀具相比，切削速度及刀具耐用度均有很大提高，經(jīng)濟效益明顯。但加工鈷基合金效果不理想，刀具損壞嚴重，損壞形式呈脆性破損。
- 刀具損壞原因分析
- 鈷基合金較鉻基合金的強度及硬度都高，因而切削性能更差。
- 切削表面既有母體材料又有合金材料，硬度不均；加工表面為毛坯面，余量不勻。
- 切削用量，尤其是切屑厚度對刀片應力狀態(tài)影響較大，切屑厚度大時，刀、屑接觸長度增加，沖擊載荷加大，易使刀片產(chǎn)生脆性破損。
- 鑒于以上分析，經(jīng)查閱有關資料，決定改用SG4陶瓷刀片對鈷基合金作進一步的切削試驗。刀片成分：Al2O3+(WTi)C；技術(shù)指標：硬度94.7～95.3HRC，抗彎強度0.8～1.18GPa，沖擊韌性≥15kJ/m2。該種刀片較!"## 陶瓷刀片硬度略有提高，沖擊韌性略有降低。
- 陶瓷刀片切削鈷基合金的試驗
- 陶瓷刀片切削鈷基合金的試驗（見表3）
表3 試驗參數(shù)與量值
切削速度V
m/min
進給量f
mm/r
切削深度ap
mm
每刀尖平均
加工件數(shù)
241
0.08
0.8
20
193
0.08
0.8
23
153
0.08
0.8
37
153
0.08
1.2
32
153
0.10
1.2
31
表4 試驗參數(shù)與量值
切削速度V
m/min
進給量f
mm/r
切削深度ap
mm
每刀尖平均
加工件數(shù)
193
0.08
0.8
68
153
0.08
0.8
89
153
0.08
1.2
80
153
0.10
1.2
75
- 從試驗效果看，SG4刀片較LT55刀片加工鈷基合金，刀具耐用度有了很大提高，但效果仍不十分理想。陶瓷刀具在切削沖擊載荷較大的毛坯面時，其刀面上所受為拉應力，這樣易使刀片產(chǎn)生脆性破損；如采用較大的負前角，可使刀面上的拉應力變?yōu)閴簯Γ岣叩镀目蛊茡p能力。但是，加大負前角，會使切削抗力增大，故要求機床系統(tǒng)要有較好的剛性。
- 結(jié)合理論分析和前期試驗結(jié)果，將刀片負前角改為-12°作進一步切削試驗（見表4）。
- 從試驗結(jié)果來看，效果比較明顯，刀具耐用度有了很大提高，且尺寸穩(wěn)定，粗糙度亦符合要求，說明采取的措施是正確的。
#p#分頁標題#e#
三、結(jié)論
- LT55陶瓷刀片適合加工鉻基合金，切削速度可選153～193m/min之間，進給量可選0.12～0.14mm/r之間，切削深度可選0.8～1.2mm之間。
- SC陶瓷刀片適合加工鈷基合金，切削速度可選153～193m/min之間，進給量可選0.08～0.10r/min之間，切削深度可選0.8～1.2mm之間。
- 刀具幾何參數(shù)
- 前角g0=-12°，后角a0=12°，主偏角kr=45°，刃傾角ls=-6° 。
- 機床—工件—刀具系統(tǒng)要有良好的剛性。
- 由于切削用量與刀具幾何參數(shù)優(yōu)選的范圍比較窄，因此還不算是最佳的。