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试论高速切削时刀具材料的选择

2018-12-13 17:35:28

试论高速切削时刀具材料的选择

核心提示:摘要:根据高速切削时刀具材料选择的特点,高速切削必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。高速切削加工的刀具材料主要有碳摘要:根据高速切削时刀具材料选择的特点,高速切削必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。高速切削加工的刀具材料主要有碳化铁基硬质合金、涂层硬质合金、金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料。

高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术。高速切削通常指切削速度超出传统切削速度5~lO倍的切削加工,是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和通用化使之具有很高的生产效率。它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征,在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用并已取得了重大的技术经济效益,是当代先进制造技术的重要组成部分。

1 高速切削时的特点

1.1 降低切削力由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度,因此切削力较小.与常规切削相比,切削力至少可降低3O 。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形,使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

1.2 工件热变形小高速切削热大部分由切屑带走,工件发热少,所以工件温升和变形小,有利于进行薄壁件切削和提高加工精度。

1.3 加工质量高由于高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率,高速切削工艺系统振动减小,不会造成工艺系统的受追振动,保证了较好的加工状态。而且切削深度、切削宽度和切削力都很小,使得刀具、工件变形小。保持了尺寸的精确性,也使得切削破坏层变薄.残余应力小,实现了高精度、低粗糙度加工。

1.4 提高生产效率主轴的高转速和机床的高进给以及高加速度,大大提高了金属切除率,材料去除率是常规切削加工机床的3~6倍。当加工需要大量切除金属的零件时,可使加工时间大大减少。

1.5 简化了加工工艺流程有些零部件可在相应的高速加工机床(如多轴联动的高速加工中心和车铣中心)上进行多工序复合加工甚至一次装夹实现全部加工,有利于保证零件的尺寸、形位精度。可省去传统加工工艺中的车、铣等加工工艺,降低加工成本。

2 高速切削时刀具材料的选择高速切削时能正确选购有关技术装备,并充分发挥其作用,就可以获得预期的经济效益。刀具是饥械加工重要的技术装备之一。

刀具材料的选择是高速切削推广应用中的一个关键问题。高速切削加工对刀具材料提出了一系列新的要求。研究表明,高速切削时,造成刀具损坏的主要原因是在切削力和切削温度作用下因机械摩擦、化学磨损、粘结、崩刃、破碎以及塑性变形等引起的磨损和破损。因此,对高速切削刀具材料主要的性能要求是化学稳定性、耐热性、耐磨性、抗热震性以及抗涂层破裂性能等。值得注意的是刀具材料与工件材料副之间有一个适配性问题,即一种刀具材料加工某种工件材料时性能良好,但加工另一种工件材料时却不理想,换句话说,不存在一种万能刀具材料可适于所有工件材料的高速加工。目前国内外应用于高速切削加工的刀具材料主要有碳化钛基硬质合金、涂层硬质合金、金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料。它们各有特点,使用于不同的切削对象和切削范围。

2.1 硬质合金为显着提高材料的强度和韧性,硬质合金向细颗粒、超细颗粒硬质合金方向发展,用它制造的整体硬合金刀具,用来代替传统的高速钢刀具,使切削速度和加工效率提高了数倍。目前整体硬质合金刀具已成为国内外工具公司的常规产品,并将随着整个切削加工水平的提高得到越来越广泛的应用。另外,为提高硬质合金的内在质量,硬质合金在加压烧结等方面开发和使用了新工艺;以及针对不同加工的需求可以开发专用牌号,从而进一步提高了硬质合金的使用性能。为进一步提高涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围,用具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金作为基体材料。

2.2 金刚石金刚石材料可分为天然金刚石和人造金刚石。天然金刚石具有自然界物质中的硬度和导热系数。天然金刚石刀具在超精密镜面切削领域得到广泛应用。

20世纪70年代制造出了金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石(PCD)刀具。PCD刀具具有高硬度(8000~12000HV)、高导热性、低热胀系数、高弹性模量和低摩擦系数,刀刃非常锋利,目前,可高速切削加工各种有色金属和耐磨性极强的高性能非金属材料,在切削有色金属时,PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。用聚晶金刚石刀具端面铣削铝合金时,5000m/min的切削速度已达到实用化水平。PCD刀具不适于在高速下切削钢铁及其合金材料,主要是由于碳与铁具有较大亲和作用,尤其在高温下金刚石易与铁发生化学反应。

2.3 陶瓷陶瓷刀具适用于高速切削钢、铸铁及其合金等。陶瓷的硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等。陶瓷刀具的切削速度通常可比硬质合金刀具高3~1O倍,在钢材、铸铁的精加工、半精加工中可代替硬质合金,提高了加工效率和产品质量。陶瓷刀具用于高速切削时,可高达~的切削温度,切削压力也很大。在高速切削时以高温引起的粘结磨损、化学反应、氧化磨损和扩散磨损为主。陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁、钢件、热喷涂喷焊材料、镍基高温合金等。

2.4 立方氮化硼立方氮化硼是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)硬度均匀,无方向性,具有一致的耐磨性和抗冲击性,并具有很高的硬度和耐热性(1300~1500~)、优良的化学稳定性和导热性以及低摩擦系数,而且PCBN与Fe族元素亲和性很低。立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁的粗、精车,又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。

2.5 金属陶瓷金属陶瓷主要有高耐磨性的TiC基金属陶瓷(TiC+Ni/Mo),高韧性TiC基金属陶瓷(TiC+TaC+WC+Co),增强型TiCN基金属陶瓷(TiCN+bC)。金属陶瓷的高温强度、高温硬度、导热性、抗氧化性和抗热震性能显着提高,与钢的亲和力小,摩擦系数小,抗月牙洼磨损和抗粘结能力强,相比硬质合金改善了刀具的高温性能,适合高速加工合金钢和铸铁。近年来开发的高氮含量、具有均匀微细硬质组织的TiC(N)基硬质合金具有良好的抗磨损性能和抗崩刃性,适于在200 400m/min的高速下切削普通钢和合金钢,也可用于铸铁的精加工。金属陶瓷材料的耐磨性好,但抗塑性变形能力较差,在对高硬材料进行高速切削时常因刀刃的塑性变形而导致刀刃损坏。

2.6 涂层刀具刀具涂层的摩擦系数较低,能有效降低切削时的切削力及切削温度,因而可大大提高刀具耐用度。涂层刀具具有很强的抗氧化性能和抗粘结性能,因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。目前应用较广泛的主要是在硬质合金和高速钢刀体上涂覆不同的氮化物、氧化物和硼化物等。选用不同涂层物质的硬质合金涂层刀具可以200 400m/min的切削速度加工钢、合金钢、不锈钢、铸铁、合金铸铁等。涂层刀具在高速铣削中占很大比例,基体以硬质合金为主,通常采用多层复合涂层。用涂层技术能够使切削刀具既价格低廉,又具有优异性能,可有效降低加工成本。因此在高速切削领域有巨大应用潜力,在全部刀具中已占有5O 以上的比重。

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