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陶瓷刀具加工高硬度材料的实践接触智能卡

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2022年06月25日

陶瓷刀具加工高硬度材料的实践

陶瓷刀具加工高硬度材料的实践 2011年12月04日 来源: 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。

图1 气阀加工示意图(局部)

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。二、陶瓷刀具的应用试验1. 刀具选择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。刀具几何参数:前角g0=-6°,后角a0=6°,主偏角kr=45°,刃倾角ls=-6°。2. 切削试验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。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)表1 试验参数与量值切削速度Vm/min进给量fmm/r切削深度apmm每刀尖平均加工件数2410.120.8521930.120.8581530.120.8761530.121.2641530.141.260表2 试验参数与量值切削速度Vm/min进给量fmm/r切削深度apmm每刀尖平均加工件数2410.100.861930.100.871530.100.8131530.101.281530.121.25切削效果及分析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。3. 刀具损坏原因分析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。4. 陶瓷刀片切削钴基合金的试验陶瓷刀片切削钴基合金的试验(见表3)

表3 试验参数与量值切削速度Vm/min进给量fmm/r切削深度apmm每刀尖平均加工件数2410.080.8201930.080.8231530.080.8371530.081.2321530.101.231

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。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)。

表4 试验参数与量值切削速度Vm/min进给量fmm/r切削深度apmm每刀尖平均加工件数1930.080.8681530.080.8891530.081.2801530.101.275

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。三、结论1. 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。2. 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。3. 刀具几何参数前角g0=-12°,后角a0=12°,主偏角kr=45°,刃倾角ls=-6°。4. 机床—工件—刀具系统要有良好的刚性。5. 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。(end)

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