高速切削刀具材料

高速切削刀具材料（精选九篇）

高速切削刀具材料 篇1

据资料统计, 机械制造总成本中, 切削液占生产成本的比重高达15%。, 而刀具费用只占生产成本的3%-5%。以前, 很多从湿式加工转变到干加工的可见成本也很高, 随着刀具材料的发展, 如今都不成为问题。实际上, 干车削硬材料和高速切削削不仅是可行的, 而且有利可图。其技巧是正确集成刀具、机床和切削技术。其中改进刀具材料, 是实现干切削是最直接最经济的办法。诚然, 实现干式切削的最大技术难题是刀具, 他是使干式切削加工得以顺利进行的关键因素。刀具在切削加工过程中, 要承受很大的压力, 同时由于切削时产生的金属塑性变形以及在无切削液的情况下刀具、切屑、工件相互接触表面间将产生更强烈的摩擦, 使刀具切削刃上产生极高的温度和受到很大的应力, 在这样的条件下, 刀具将迅速磨损或破损。发展干式切削, 刀具材料要具备高温红硬性和化学稳定性和较低的摩擦系数。

在机械制造行业, 传统思维是要获得更高的速度和切削更硬的材料, 必须使用切削液来维持刀具的寿命或切削速度, 传统认识是切削液对于取得较好光洁度和更长刀具寿命是必不可少的。虽然现实中切削液对于许多加工仍然是必要的, 但是研究表明, 有了现代切削刀具材料和当今更高的切削速度, 并不一定要使用切削液, 其原因在于:切削区温度变得非常高, 通常超过1000℃, 尤其是在高速切削和硬材料切削时。举例来说, 假定切削液能克服铣刀高速旋转产生的离心力, 切削液在到达切削区之前早已汽化, 对那里几乎没有冷却作用。

干切削刀具材料发展到普通铸铁零件中最具有代表的是华菱超硬BN-S30及BN-K20牌号的立方氮化硼 (PcBN刀具) 刀片, 这是华菱公司在汽车零部件制造行业继“以车代磨”硬车技术后又一突破, 使得干切削技术应用范围从硬材料加工发展到普通铸铁零件中。目前, BN-K20和BN-S30牌号硬质刀具已经开始用于铸铁刹车盘、制动鼓、变速箱壳体、发动机缸体以及铸铁飞轮、压盘的高速干切削加工中;由于刀具材料在1300摄氏度高温状态下正常切削的高温红硬性和化学稳定性, 车削灰口铸铁和珠光体球墨铸铁零件时切削速度可达500m/min以上, 也可用于加工中心采用1000/min以上的线速度进行高速铣削灰铸铁零件。而且具有较低的摩擦系数, 不但能实现干式切削, 而且加工的表面粗糙度低。

高速切削刀具材料 篇2

一、铝合金：

1、易切削铝合金

该材料在航空航天工业应用较多，适用的刀具有K10、K20、PCD，切削速度在～4000m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°，

2、铸铝合金

铸铝合金根据其Si含量的不同，选用的刀具也不同，对Si含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si3N4刀具，当Si含量大于12%时，可采用 PKD(人造金刚石)、PCD(聚晶金刚石)及CVD金刚石涂层刀具。对于Si含量达16%～18%的过硅铝合金，最好采用PCD或CVD金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm/r。

二、铸铁：

对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷;切削速度在510～2000m/min时，可选用Si3N4陶瓷刀具;切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN刀具。

铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN或Si3N4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，不宜使用CBN，而应采用陶瓷刀具。如粘结相为金属Co，晶粒尺寸平均为3μm，CBN含量大于 90%～95%的BZN6000在V=700m/min时，宜加工高铁素体含量的灰铸铁。粘结相为陶瓷(AlN+AlB2)、晶粒尺寸平均为10μm、 CBN含量为90%～95%的Amborite刀片，在加工高珠光体含量的灰铸铁时，在切削速度小于1100m/min时，随切削速度的增加，刀具寿命也增加。

普通钢

切削速度对钢的表面质量有较大的影响，根据德国Darmstadt大学PTW所的研究，其最佳切削速度为500～800m/min。

目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。用PVD涂层方法生产的 TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好，因为前者可很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。

金属陶瓷刀具占日本刀具市场的30%，以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在 400～800m/min的小进给量、小切深的精加工;Carboly公司用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来，Kyocera公司用TiN来增加金属陶瓷的韧性，其加工钢或铸铁的切深可达2～3mm，

CBN可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬钢。

三、高硬度钢：

高硬度钢(HRC40～70)的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC涂层硬质合金、PCBN等。

金属陶瓷可用基本成分为TiC添加TiN的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1/10，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速(在200m/min左右)的模具钢SKD加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。

采用陶瓷刀具可切削硬度达HRC63的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。切削淬火硬度达HRC48～58的45钢时，切削速度可取150～180m/min，进给量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm。粒度在1μm，TiC含量在20%～30%的Al2O3-TiC 陶瓷刀具，在切削速度为100m/min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。

当切削速度高于1000m/min时，PCBN是最佳刀具材料，CBN含量大于90%的PCBN刀具适合加工淬硬工具钢(如HRC55的H13工具钢)。

四、高温镍基合金：

Inconel718镍基合金是典型的难加工材料，具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。高速切削该合金时，主要使用陶瓷和CBN刀具。

碳化硅晶须增强氧化铝陶瓷在100～300m/min时可获得较长的刀具寿命，切削速度高于500m/min时，添加TiC氧化铝陶瓷刀具磨损较小，而在100～300m/min时其缺口磨损较大。氮化硅陶瓷(Si3N4)也可用于Inconel718合金的加工。

加拿大学者M.A.Elbestawi认为，SiC晶须增强陶瓷加工Inconel718的最佳切削条件为：切削速度700m/min，切深为1～2mm，进给量为0.1～0.18mm/z。

氮氧化硅铝(Sialon)陶瓷韧性很高，适合于切削过固溶处理的Inconel718(HRC45)合金，Al2O3-SiC晶须增强陶瓷适合于加工硬度低的镍基合金。

五、钛合金：(Ti6Al6V2Sn)

钛合金强度、冲击韧性大，硬度稍低于Inconel718，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。日本学者 T.Kitagawa等经过大量实验得出，用直径?10mm的硬质合金K10两刃螺旋铣刀(螺旋角为30°)高速铣削钛合金，可达到满意的刀具寿命，切削速度可高达628m/min，每齿进给量可取0.06～0.12mm/z，连续高速车削钛合金的切削速度不宜超过200m/min。

六、复合材料：

高速切削刀具探析 篇3

高速加工通常是指在高于常规加工速度5～10倍的条件下进行的切削加工。高速切削时，随着切削速度的提高，切削力逐渐减小，切削温升逐渐趋缓，加工表面质量提高，加工成本降低。对于高速切削加工，刀具材料更具有举足轻重的影响。当切削速度提高时，工具钢材料的刀尖往往会因无法承受切削高温而发生烧蚀或急剧磨损。

近三四十年来，刀具材料所取得的突破使高速切削中出现的问题得到了较好解决。一些新型刀具材料(如氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具和CBN等)具有良好的耐热性：用聚晶方法得到的聚晶金刚石(PCD)刀片，其硬度可达6000～10000HV，用PCD材料制作的车刀、铣刀、钻头等可对有色金属进行高速切削，有时也应用于黑色金属的切削加工。目前适用于高速切削的刀具主要有以下几种。

一、涂层刀具

涂层刀具是利用气相沉积方法在高强度的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面涂覆几个微米的高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层而获得的。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性。涂层材料作为化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3～5倍以上，提高切削速度20％～70％，提高加工精度0.5～1级，降低刀具消耗费用20％～50％。

二、金属陶瓷刀具

金属陶瓷是20世纪70年代开发的一类具有优良机械力学性能和高温性能的新型工具材料。与传统的硬质合金刀具相比，它的耐热性、耐磨性、抗月牙洼磨损能力等均有明显提高，但韧性和导热性相对较差。近年来，在陶瓷基体中加入少量纳米粒子以形成纳米陶瓷复合材料的研究取得了不少进展和成果。金属陶瓷刀具可应用于300～500m／min切削速度范围内的高速精车钢和铸铁。

三、陶瓷刀具

陶瓷刀具与硬质合金刀具相比，其硬度高、耐磨性好，在相同切削条件加工钢料时，磨损仅为硬质合金刀具的1/15，刀具寿命长；在1200℃时仍能保持80HRA的高硬度，所以在高温下仍能进行高速切削；它与钢铁金属的亲和力小，摩擦因数低，抗粘结和抗扩散能力强，切削时不易粘刀及产生积屑瘤，加工表面质量好，可在200～1000m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁及其合金等。另一方面，陶瓷刀具的缺点是脆性大，抗弯强度和抗热冲击性能较差，当切削温度发生显著变化时，容易产生裂纹。

四、CBN刀具

CBN是一种仅次于金刚石的硬度极高的刀具材料，通常材料硬度大于48HRC时工作效果最好(加工软材料时CBN磨损很快)，温度高到2000℃时有极佳的红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。虽然和硬质合金相比，CBN更脆且导热性和化学稳定性低于陶瓷，但它具有比陶瓷刀具更高的冲击强度和抗破裂性，而且对于刚性较低的机床也能切削硬金属。由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具切削淬硬钢可实现“以切代磨”。

五、PCD刀具

PCD刀具的硬度为硬质合金的80～120倍；导热系数为硬质合金的1.5～9倍，甚至高于PCI3N和铜，热量传递迅速：PCD的摩擦系数一般仅为0.1～0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4～1)，可显著减小切削力：PCD的热膨胀系数仅为硬质合金的1／5，热变形小，加工精度高，PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结，在刀尖上形成积屑瘤。PCD可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、高精度、高稳定性加工。

六、高速钢、硬质合金刀具

高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求。

硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物和金属粘结剂在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89～93HRA，760℃时其硬度为77～85HRA，在800℃～1000℃时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但是，硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1／8～1／30。因此，硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。

高速切削刀具磨损表面形态探究 篇4

高速切削加工技术运行过程中,主要是对零部件进行集中处理,最大的优势就是能有效提升工艺操作的实际效率,并在单位时间内提高材料切削效率,一定程度上提高整体运行结构的时效性,甚至达到3倍到5倍,且设备的表面加工质量也能提升一级到两级。特别要注意的是,利用高速切削加工技术,能一定程度上降低成本20%到50%之间,相较于传统切削工艺,高速切削工艺刀具和工件的接触几率以及时间更少。但是,在实际接触过程中,工件产生的热量会直接传递给切削设备的刀具,这就会产生一定的损耗,也就是说,整体运行环境更加的高速且高温,需要技术人员利用磨损机理和项目处理机制对设备进行集中的控制,以保证相应系统失误能得到降低。

2 高速切削刀具磨损表面形态研究

2.1 高速切削刀具磨损表面形态实验组成

在实验项目中,主要是借助高速立式加工中心对其进行集中处理,设备的主轴保证无级调速,最高效果能达到每分钟10000r的转速,基础工具材料使用的是硬度在15HB以下的45#钢,主要校对的刀具就是立方氮硼刀具以及三氧化二铝陶瓷刀具和硬质合金Ti C涂层刀具等。另外,要利用显微镜对刀具的磨损程度进行仔细校对[1]。

2.2 高速切削刀具磨损表面形态之前刀面磨损

在对刀具进行高速铣削进行处理时,能有效了解45#钢刀面的磨损程度和具体形态。可以对试验刀具进行分析,较之常规的刀具,高速切削刀具的前刀面磨损结构与切削刃相连接,最大的磨损结构也同时存在于切削刃附近,磨损区域会随着切削速度增高而减小。特别要注意的是,当温度较高,甚至达到800摄氏度以上,则会出现严重的粘结合扩散问题,主要是氧化作用,对刀面产生严重的磨损[2]。

2.3 高速切削刀具磨损表面形态之后刀面磨损

在高速切削工艺开展过程中,加工表面和刀具的后面会产生一定程度的磨损,这对于整体运行结构会产生影响,甚至是导致刀面出现严重的损耗。高速切削工艺中后刀面磨损是较为常见的问题,需要引起相关技术人员的高度重视,由于其产生的磨损痕迹和常规化切削工艺较为相似,需要技术人员进行区别对待。但是,高速切削工艺运行中,刀具的磨损位置更加接近刀具的刀尖位置。

2.4 高速切削刀具磨损表面形态之微崩刀

在高速切削工艺运行过程中,微崩刀也是较为常见的问题,主要指的是,在刀具表面会出现较小的缺口,刀具常在较高的温度下运作,容易受到损耗。另外,在微崩刀结构中,通常刀具的微崩刀磨损结构的尺寸和实际磨损限度有直接关系,并且在一定范围内没有出现严重的偏差。特别要注意的是,刀具若是出现微崩刀问题,并不需要立即进行刀具替换,还能使用一段时间,但是需要减少进给量,从而提升整个刀具的稳定性。涂层刀具高速切削出现微崩刀的几率较大,需要对问题进行集中处理,从而减少涂层结构和基体结合产生的强度削弱问题。

2.5 高速切削刀具磨损表面形态之剥落和裂纹

高速铣削操作中,刀具要保证快速的离开配件,但是,正是由于这样的操作,会导致荷载参数出现急剧的减少和增加,刀具若是受到影响,就会产生应力交替的问题。需要技术人员提高运行结构的有效性,确保对不同问题进行集中处理,减少热效应疲劳和基础疲劳对设备产生的不良影响。在剥落问题并不严重时,要对磨损问题进行集中关注,确保裂纹源的有效控制,从而减少刀具表面的深度磨损问题[3]。

2.6 高速切削刀具磨损表面形态之破损

在高速切削问题出现后,最直观的影响就是刀具的磨损。究其原因,刀具材料以及切削用量不当也是较为严重的因素,需要技术人员给予其必要关注,确保管控结构和管理层级符合实际需求,减少突然磨损问题,提升整体刀具运行的实效性。技术人员要对耐热合金以及灰口铸铁结构进行深度关注,并对主键结构中45#钢进行处理,需要对突然磨损问题给予重视[4]。另外,在前刀面刀楔内部出现拉应力后,由于刀具自身的脆性参数较大,就需要相关操作,提升其抗拉强度,从而减少突然破损的问题。

3 结束语

综上所述,在对高速切削刀具进行系统化分析和问题处理的过程中,要对前刀面磨损、后刀面磨损、微崩刀以及剥落等问题进行集中关注,减少不同形态产生的对应问题,针对相关位置进行精细化处理,从而规避磨损程度,确保设备能更好的发挥实际价值。

参考文献

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[2]葛英飞,宦海祥,徐九华等.PCD刀具高速车削和铣削钛基复合材料的切削温度研究[J].工具技术,2016,50(01):12-17.

[3]LI Peng-nan,唐思文,ZHANG Hou-an等.Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的高速切削性能与磨损机理[J].中国有色金属学报,2015,18(07):1286-1291.

高速切削刀具在数控加工中的应用 篇5

随着科学技术的不断变化发展, 很多先进的制造技术不断的应用于机械制造设计中, 一种低成本, 高效率, 高精度的高速切削技术被广泛的应用, 如今成为机械制造的主要技术手段。

“高速切削”的概念最早是由德国人提出来的, 它的核心就是在通常情况下, 切削的温度会随着速度的加快而不断的升高, 当速度达到最大值的时候, 此时温度就会在此时随着速度而慢慢降低。它与以往的切削技术相比较, 存在很多的优势。如: (1) 大大提高了生产效率, 降低了成本, 是传统切削技术的3~10倍。 (2) 作用力不在集中, 从而使受力均匀, 这样不仅仅有利于提高薄壁件、细长件等刚性差的零件的加工精度, 而且可以使机械长久的使用不被损坏。 (3) 与以往相比, 它更适合加工容易受热变形的零件, 因在受热的时候95%热都会被切屑带走。 (4) 因高速切削振动小, 且与传统的工艺相比, 频率比较固定, 因此比较适合加工精密零件。

随着“高速切削”概念的提出, 它对刀具也提出了更高的要求。刀具技术作为高速切削技术的关键技术, 必须保证刀具除了具备基本的性能之外, 还要具备很高的耐热性能, 抗高温性, 优秀的高温力学性能及其可靠性。严格来讲, 高速切削技术的发展是在超硬刀具材料出现之后而发展起来的。在机床机械中, 如果大量的采用这种技术, 那么就需要使用合格的刀具, 否则不仅会影响工作效率还会对刀具产生大量的磨损, 对于机床数控加工而言也是毫无意义的。目前常用的高速切削刀具材料有:聚晶金刚石 (PCD) 、立方氮化硼 (CBN) 、陶瓷、Ti (C, N) 基金属陶瓷、涂层刀具~超细晶粒硬质合金等刀具材料。

2 高速切削刀具的发展情况

2.1 金刚石刀具材料

金刚石刀具分为两种:一种是纯天然的;另外一种是人造的。因纯天然的价格比较昂贵, 切加工起来比较麻烦, 所以只在很少的机械加工中被使用。但随着科技的不断变化发展, 近年来将很多技术工艺与金刚石的开采技术融为一体。使天然的金刚石刀具在制作由复杂变得简单, 同时因为其自身的独特优势, 如:硬度高, 抗压抗热性能好, 导热快, 耐磨性好等优点, 因此被广泛的应用于高速切削的机床数控中。因加工效率得到了大大的提高, 精度也越来越标准, 所以在要求高的切削技术中, 金刚石发挥了巨大的作用。人造金刚石分为三种:聚晶金刚石 (PCD) 、化学气相沉积金刚石 (CVD) 和高温人工合成的单晶金刚石。PCD和单晶金刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。

2.2 立方氮化硼刀具材料

与金刚石比较, 立方氮化硼刀具是人工合成的一种材料。其制作工艺和金刚石的类似, 但是就硬度而言却是仅次于金刚石的一种超硬质材料。同样具备高强度, 高稳定性, 高化学稳定性等性能。在目前被广泛的应用于钢材质的切削中。因氧化温度高达1360℃, 与钢铁材料有着很好的相容性, 且这种刀具是以烧结体形式存在的, 具有极高的耐磨性是一种很好的刀具材质。还有一种刀具, 在国内外都被认可的一种硬态刀具模式。

这种刀具材料是在高温加热的情况下添加一种催化剂转化而成的。它的优点就是稳定性高于金刚石。适用于在加工热的硬度材料的时候使用。不仅仅耐高温耐热耐磨性好, 而且相比较铁而言, 其惰性也比较大。在未来的发展中, 将取代难以满足高速切削黑色等金属, 又或是难以加工的, 切削的刀具材料。它主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料。PCBN刀具已为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。

2.3 陶瓷刀具

陶瓷刀具材料的强度低、韧性差, 制约了它的应用推广, 而超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具, 在生产中有美好的应用前景, 目前已引起世界各国的重视。

2.4 涂层刀具

传统的涂层刀具经历了一个由简单到复杂的生产工艺流程。随着时代的快速的发展, 这种刀具在使用上得到了明显的增强。然而在硬质涂层刀具中, Ti N技术被广泛的应用。

金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金而低于陶瓷材料, 横向断裂强度大于陶瓷材料而小于硬质合金, 化学稳定性和抗氧化性好, 耐剥离磨损, 耐氧化和扩散, 具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。

3 高速切削刀具的具体应用情况

硬质合金刀具虽然具备很好的抗拉强度和断裂性能, 但由于其抗热性很差, 在高速切削中受到了一定的限制。因此在使用过程中, 要将硬质中的晶粒进行细化, 使其尺寸变小, 可以均匀的分布在硬质相的周围, 这样不仅仅提高了硬质合金的使用性能, 更加提高了其硬度和耐磨, 为此可以广泛的使用于硬切削中。其实, 严格来讲, 最理想的刀具材料不仅仅有很好的硬度和耐磨性, 更加具备良好的化学亲和力, 好的传热性能和机械性能等。达到高速切削的严格施工工艺的要求。

陶器刀具和金属陶瓷刀具在严格意义上讲, 是有区别的。虽然他们同时被应用于高速切削过程中, 但是由于各自的受力情况不同, 因此在机械设备中都有不同程度的损伤。虽然都有缺点, 不被广泛的使用。但是在切削时, 有些要求平稳性能高的刀具进行切削, 此时就要采用陶瓷刀具, 为了更加符合机械设备的施工要求。减少切削时的难度, 这样做的害处就是大大提高了工作效率, 降低了失误率带来的严重后果。然而金属陶瓷刀具因为具有很强的断裂性能所以在续切工艺中被广泛的应用。

4 结束语

高速切削加工工艺的出现改变了以往传式的切削模式, 在很大程度上大大提高了工作效率, 因为切割的速度比较快, 传导性能比较优越, 大大缩短了工作时间, 同时, 它可以根据不同的施工工艺采取不同切削方式。同时, 由于加工产生热量的70%~80%都集中在切屑上, 而切屑的去除速度很快, 传导到工件上的热量大大减少, 提高了加工精度。高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术, 优点主要在于:提高生产效率;提高加工精度和表面质量;降低切削阻力。

高速切削技术的问世改变了人对传统切削加工的思维和方式, 极大提高了加工效率和加工质量。而高速切削与模具加工的结合, 改变了传统模具加工的工序流程。高速切削刀具作为高速切削技术的关键, 随着技术的不断完善, 将为模具制造带来一次全新的技术革新。

摘要：随着科学技术水平的不断提高, 作为先进制造技术的重要组成部分高速切削技术在模具加工制造中已得到越来越广泛的应用。文章结合高速切削技术的发展现状, 阐述了高速切削技术的应用及其未来趋势。

高速切削刀具材料 篇6

高速切削技术作为21 世纪新兴的一种具有高速、高效、高精度的高新加工技术, 广泛应用于模具制造领域, 促使模具切削领域产生一次技术革新, 推动模具制造业迅猛发展。因而, 高速切削加工技术在模具制造领域的应用, 又对机床性能、刀具性能及机械加工工艺方案提出了更高的要求, 尤为突出的问题是切削刀具的选择及工艺参数的匹配, 刀具选择不合理会造成刀具过早磨损, 以及刀具崩刃、刀体断裂等 (如图1) 。

1 模具加工中刀具选用规则

1.1 刀具材料选择

随着高速切削技术的不断发展, 新材料、新工艺的出现, 刀具作为高速切削的关键技术也在不断更新, 刀具材料已发展为CBN刀具、陶瓷刀具、金刚石刀具。刀具的性能比高速钢及硬质合金钢刀具有很大的提高, 在刀具优选过程中, 除了刀具结构应满足要求外, 还要求刀具材料的性能应满足一定的要求, 通过查阅相关资料及实践论证的基础上, 无论采用哪种材料的刀具切削淬硬钢模具, 必需满足刀具材料的基本性能要求, 刀具材料基本性能参数如表1 所示。

1.2 刀具类别的选择

淬硬钢模具加工中刀具的选择, 要以提高切削效率及加工精度为原则, 结合被加工工件的结构类型及表面尺寸, 确定相应刀具的类别。因而对于较大平面加工, 依据提高切削效率的原则优选面铣刀;对于立面、凸台、凹槽的加工, 依据表面的结构类型优选高速立铣刀;对于毛坯表面及孔的粗加工, 依据高效切削原则优选玉米粒铣刀, 对于变斜角型面的加工, 依据提高精度的原则优选球头铣刀或圆角铣刀;对于特定的结构, 选用专用的刀具, 如封闭的键槽应选用键槽铣刀。

1.3刀具选用规则

高速切削淬硬钢模具, 其强度硬度高且硬度分布不均, 结构形状复杂多变, 切削过程中刀具振动剧烈, 切削加工稳定性较差, 刀具磨损较快;而硬度分布的不均匀, 存在局部过硬现象, 易导致刀具崩刃, 逐步恶化之后会产生刀体损坏。为避免以上不良现象产生, 应结合高速切削状态给出刀具的选择规则, 刀具的选用规则要由工件的形状特征、加工条件、加工工序等综合因素决定, 现给出刀具的选择流程如图2所示。

2 模具加工中刀具参数确定

汽车覆盖件淬硬钢模具切削广泛应用可转位球头铣刀, 该刀具在刀片损坏的条件下刀体仍然可以重复利用, 节约制造成本, 具有良好的经济性, 同时刀具已经系列化及标准化又使该刀具具有良好的通用性, 数控加工中, 优先考虑使用可转位刀具。

2.1 刀具参数选用要求

对于球头铣刀的选择, 刀具半径应小于被加工表面内凹过渡圆弧的最小曲率半径, 一般取R= (0.8~0.9) ρ, 式中:R为刀具半径;ρ 为加工表面内凹过渡圆弧的最小曲率半径。

对于切削立面、深腔的刀具, 刀具悬伸量应大于加工表面凹处陡峭面型腔深度, 即L≥ (1~1.5) H, 式中, L为刀杆悬伸量, H为型腔陡峭面深度。

2.2 刀具长径比的确定

对于每一把刀柄, 在满足加工要求的情况下, 尽量选用短刀柄, 短刀柄具有较好的刚性。一般来说刀具长径比 (刀杆直径与悬伸量之比) 以1:4 为最佳, 通常在1:6 以内, 极限为1:8。刀具长径比过大易导致较大的振动变形, 影响加工精度。在模具深腔加工中需用大悬伸刀具时, 应选用专用防振刀杆。D30R15 球头铣刀直径控制在120~180 mm以内。刀具几何参数如图3 所示。

3 模具加工中刀具的使用

汽车覆盖件淬硬钢模具切削加工过程主要分为粗加工、半精加工、精加工及清根几道工序, 刀具选择要由具体的工序来决定, 淬硬钢模具的工艺流程如图4 所示。

汽车覆盖件淬硬钢模具结构尺寸大、型面复杂多变, 主要以铣削加工为主, 刀具选择球头铣刀, 依据模具型面差异、尺寸大小及加工区域, 决定选择刀具尺寸, 由于淬硬钢模具硬度高达58~62HRC, 考虑到切削经济性主要使用可转位球头铣刀。

3.1 刀具直径选择

汽车覆盖件淬硬钢模具粗加工主要以去除较大余量为主, 为提高切削效率, 需选择大直径刀具, 通常使用的刀具为直径为准50 的刀具。淬硬钢模具高速铣削加工中, 半精加工刀具选择应满足提高加工效率, 减少刀具使用数量, 具有一定的精度要求, 通常使用刀具为D30R15 可转位球头铣刀。精加工是模具加工的关键工序, 关系模具最终表面精度, 需选择小直径刀具, 通常选用D30R15 或D20R15 可转位球头铣刀。淬硬钢模具精加工后, 半径较小的过渡圆角处 (半径小于R15 的圆角) 仍存在残余留量, 需进一步过渡圆弧切除处理, 该工序定义为清根处理, 清根通常选用整体硬质合金球头立铣刀, 刀具直径最小可达到D4R2。

3.2 刀片装夹

可转位球头铣刀由螺钉、刀片、刀体组成, 刀片作为主要参与切削零件, 其装夹优劣至关重要, 对于刀片装夹提出以下几点注意事项:

1) 检查刀片各定位面是否有损伤现象, 有刀垫的检查刀垫是否完好, 有无裂纹和破损, 刀垫螺钉锁紧是否牢固, 当螺钉磨损较快时, 应及早更换;螺钉不宜过分拧紧, 只允许用附带的专用扳手夹紧刀片等零件, 专用扳手决不允许作其它用途。

2) 保持刀片 (特别是孔和基准面) 的清洁干净, 用风枪或不起毛的抹布擦拭刀片定位面, 确保定位面无铁屑及其他杂物, 选用合适的刀片, 同一品牌的刀具装同一品牌的刀片, 不得混用;刀片装夹时应按照刀片定位装夹, 用手轻压, 保证刀片与底面充分接触。

3.3 刀具基本保养

切削加工中不可或缺的重要环节就是刀具的保养, 刀具保养不善不但影响切削加工效果, 造成经济损失, 而且增加企业制造成本, 现对刀具保养提出以下几点注意事项:

1) 操作工装夹刀具时, 应先把刀套、刀柄清理一遍, 以免有铁屑及杂物装入刀具内, 影响刀具精度;加工中如果使用切削液, 加工完后应用抹布把刀具、刀柄擦拭干净, 避免生锈;每天对刀柄喷防锈剂, 及时清理刀柄内的铁屑。

2) 刀具、刀柄应放在规定的刀具架上或刀库内, 不得放在铁板、工作台、刀库下及脚踏板上;刀具严禁混放, 特别是整体铣刀, 避免倒刃。

4 结论

通过对淬硬钢汽车覆盖件模具切削加工工艺分析, 制订淬硬钢模具切削刀具的优选规则, 按照该规则选择刀具, 保证淬硬钢模具安全有效的高速高效切削。

摘要：对高速干式切削汽车覆盖件模具切削工艺进行分析, 针对切削加工过程中刀具产生过早磨损、崩刃、刀体断裂等问题, 给出安全稳定切削淬硬钢模具的刀具优选规则。

关键词：高速切削,淬硬钢模具,刀具优选

参考文献

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高速切削刀具材料 篇7

就韧性材料来说, 压痕技术的使用提供了大量有关塑性变形的信息。该技术的一个应用则是测定温度的影响 (高温硬度) 。业已表明, 在标准接触时间内, 试验温度升高引起的后果就是硬度下降[1]。尽管试验特别容易, 但分析数据有困难, 因此现有几种不同的硬度分析方法 (温度数据) 。一种适于金属的方法是利用对数硬度-温度 (K) 曲线的拐点来识别在试验温度范围内引起塑性变形的变形机理。在固定载荷、不同温度但恒定载荷率下进行的硬度评价之重要性, 随着温度的升高, 按照下列定律而降低:

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式中, T-绝对温度;A、B-材料常数;c-载荷时间t决定的常数。该式称为Ito-Shishokin关系式[2]。材料常数随着温度范围的不同有两组数值, 一组适用于半熔点以下;另一组则适用于半熔点以上。不同组参数可用不同的变形模式来识别, 即在低均质温度下的很低位错迁移率、在中间范围内的常规滑移挛晶和晶界滑移以及在高均质温度下的黏性行为, 每一种用对数硬度-温度曲线的拐点和计算有关的激活能来识别[3]。

对于硬脆材料, 用刚性压头难以获取有关信息。压痕下的典型高应变[4]产生复杂的裂纹系统, 可能导致测量误差。但是, 压痕技术一向被用来评估脆性材料的变形机理。例如, Kohlstedt[5]指出, 过渡碳化物单晶的自然对数H-1/T曲线的拐点表明, 几种不同的变形机理活跃于0.25Tm和0.66Tm之间, 从一种机理向另一种机理的转变发生在非常特殊的均质温度[5]。他认为, 这种材料的主要变形机理决定于活性滑移系统, 脆性-韧性转变发生在0.33Tm附近, 即滑移能在{111}密排晶面上发生的温度 (见表1) 。

Ito-Shishokin曲线 (LogH-T/Tm) 的拐点也一向用来识别几种陶瓷 (包括90wt%cBN聚集体和50wt%cBN复合体) 变形机理的变化[2]。Parry的研究 (1992) 证明, 90wt%cBN材料不存在拐点, 而发现50wt%cBN复合材料的拐点发生在0.4Tm, 但不低于0.4Tm。表明这类材料的性能变化起因于显微组织的差异。

但是, 在0.4Tm以下的温度评价这类材料的有关变形机理是非常困难的。例如, 90wt%cBN材料的压痕蠕变测量表明, 塑性变形发生在室温 (0.08Tm) , 主变形机理为位错滑动[6], 而组成型硬度法表明, 包括陶瓷在内的一些材料在0.4Tm时主变形机理也为位错滑动[7]。本文报道的是应用维氏压痕硬度法研究在试验温度范围内cBN含量、粘结剂相和晶粒尺寸对几种PcBN刀具材料变形机理变化的影响。

2 材料

cBN是人们已知的硬度仅次于金刚石的第二种超硬材料, 单晶cBN由六方氮化硼晶体转化而来[8]。cBN具有闪锌矿型结构, 由两个互穿面心立方晶格构成, 一个为硼晶格, 另一个为氮晶格。主要为共价键结合, 有些离子键结合。经鉴定, 滑移系在室温下发生在{111}〈110〉晶面, 解理则发生在{011}晶面[9]。单晶cBN的硬度呈各向不均性, 其值从 (001) 晶面的[110]方向的28.89GPa到同一晶面的[100]方向的43.12GPa不等[10]。

聚晶立方氮化硼刀具材料 (室温努氏硬度为39GPa) 由单晶cBN和粘结剂相组成。PcBN材料的硬度范围决定于cBN含量、cBN晶粒尺寸和粘结剂相材料的变化。图1为本研究用材料的显微组织, 每种材料的有关性能列于表2。表中位于该系列PcBN刀具材料最前列的是含90wt%cBN的一种聚集体。加入铝作催化剂, 在5～7GPa的高压和1473～1837K的高温下烧结, 显微组织包含cBN骨架和由AlB2和AlN组成的稳定、非活性粘结剂相。在cBN骨架的空隙内, AlN形成包围晶粒的外壳, 而在直接接触区铝则被排除在外, 晶粒显示高的塑性变形水平[11]。但是尚未发现可表明cBN晶粒再生长的证据 [12]。该系列其它材料的制造方法类似, 但含有立方氮化硼 (cBN) 和Al/TiC、TiC或TiN粘结剂相, 厚度0.7 的cBN层钎焊在WC-CO支撑基体上。这些材料的cBN晶粒尺寸也不尽相同, 从80wt%cBN材料的10μm到50wt%和80wt%cBN材料的1～2μm不等。

Brookes[10]在单晶cBN和PcBN聚集体的硬度比较研究中发现, 在从室温到1173K的整个温度范围内, PcBN聚集体具有较高的硬度。表明由于聚集体内cBN晶粒的随机取向, 不会有受外加应力影响的主滑移面或滑移方向, 一般来说, 聚晶材料的硬度会高于对应的单晶材料。还发现, 在压痕蠕变试验中单晶cBN和PcBN均在低至473K的温度下发生塑性变形, 两者在673K的温度下的蠕变速率相差无几。有人认为, 蠕变特性对于材料至关重要, 并非是由于PcBN材料内部疏松的致密化和减少的缘故。

最近, Harris等人[13]使用软压头技术测定PcBN刀具材料的塑性起始点。该技术利用软压头 (其材料硬度低于试验材料) 在较高温度下产生塑性变形。软压头顶端钝化在硬试样上产生的较低应变对滑移有促进作用, 但对锐压头所产生的压痕中典型断裂类型则有阻止作用。对于每种试验温度, 在标准接触时间内在试样表面产生压痕, 直到压头钝化到不足以留下任何表面塑性痕迹为止。根据先前的压痕, 计算出在给定试验温度下引起塑性变形所需要的平均压力。利用Love[14]建立的关系式将平均压力转化成流变应力。

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式中, Smax-作用于表面的最大剪应力;ν-泊松比;Pm-在给定温度下引起塑性变形的平均压力;σflow-流变应力。通过绘制流变应力-温度曲线, 得出图2所示的PcBN材料的脆性-韧性转变曲线。

可以清楚地看出, 对于所研究的几种PcBN材料, 流变应力均随着温度的升高而减少, 从1073K时的4.77GPa减少到1473K时的2.50GPa。90wt%PcBN的流变应力与温度之间则存在一种线性关系。对于含TiC和TiN粘结剂相的材料, 流变应力均随着温度的升高而迅速减少, 据识别, 80wt%、50wt%和45Wt%PcBN材料的脆性-韧性转变温度分别为1067K (0.32Tm) 、1055K (0.29Tm) 1146K (0.32Tm) 。这表明粘结剂相成分、体积分数和cBN晶粒尺寸在机械性能随着温度的升高而降低的过程中起着相当大的作用。

3 试验程序

在所有试验之前, PcBN试样均用粒度递减的金刚石磨料机械研磨出平面, 最后用粒度0.05μm的二氧化硅磨料精研。

图3为维氏硬度测量用高温真空装置。试验材料装在真空室内位于水冷叶蜡石炉膛的石墨承接器内。炉膛可沿x和y方向移动。围绕试样和承接器的是35kW、450Hz发生器射频线圈, 可产生的温度范围为293～1773K。

维氏压头固定在水冷装载柱内, 装载柱可在z方向靠手动精确定位。形成压痕的正常载荷为15N、接触时间为300s。在293～1273K (0.08～0.4Tm) 的范围内几种温度下制作多种压痕。从室温到973K的温度用直接接触式热电藕监测, 而993～1273K范围内的温度则用光学高温计监测。为了降低压头石墨化的可能性, 所有试验均在超过10～4mbars的真空状态下进行。

用光学显微镜检验维氏压头以确保无断裂发生, 并测量压痕对角线长度。维氏硬度然后用下式计算维氏硬度:

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式中, L-正常载荷 (N) ;d-维氏压痕两对角线长度 (m)

4 结果

图4为温度对PcBN刀具材料硬度的影响。随着温度的升高, 所有PcBN刀具材料的硬度均迅速地下降, 从室温时的28.17GPa (90wt%cBN 为0.08Tm) 下降到1273K时的9.47GPa (80wt%cBN为0.36Tm) 。90wt%cBN材料的硬度也略有下降。粘结剂相含TiC和TiN的45wt%cBN材料的硬度高于粘结剂相只含TiC的聚集体, 但硬度不及90wt%PcBN材料。因为这种材料的cBN含量最少, 显然, 在温度升高时, cBN含量并非是决定这些材料硬度的唯一因素。

5 讨论

Hooper和Brookes[12]认为, 合成期间形成的高度变形的cBN骨架结构直接影响涉及90wt%cBN聚集体材料的高位硬度。比较90wt%cBN和45wt%cBN的硬度数据 (图5a) 可以清楚地看出, 聚集体的结合剂相添加TiC导致了50wt%cBN材料的硬度在整个温度范围内有所下降。显然, 由于结合剂相体积分数的增加和cBN体积分数的随之减少, 两者的接触性有所减弱, 这对流变应力和硬度测量结果均会产生相当大的影响。

80wt%cBN和50wt%cBN材料的硬度数据比较 (图5b) 表明, 与90wt%cBN材料相比, 尽管添加TiC使两种材料的硬度有所下降, 但在整个温度范围内50wt%cBN材料的硬度仍高于80wt%cBN材料。由此看来, 硬度与最硬组分 (cBN) 的体积分数并无直接的关系。TiC单晶[15]同本文中80wt%cBN和50wt%cBN材料的硬度数据有惊人的相似之处。显然, 硬度可能是由TiC的体积分数增加所致。但是, 80wt%cBN的平均cBN晶粒尺寸约为8μm, 而50wt%cBN材料则大大减少至1～2μm。这反应晶粒更细材料在所研究的温度范围内硬度略有增加, 并非出人意料。45wt%cBN材料的硬度高于这两种材料的事实与此相符。该材料的晶粒尺寸属于亚微米级, 尽管结合剂相中所含TiN的硬度低于TiC (两者的硬度分别为20 GPa和26GPa) 。

图6为利用Kohlstedt设计的方法[5]绘制的所有4种PcBN刀具材料的自然对数硬度对温度倒数的关系曲线。尽管90wt%cBN变形机理的变化不易识别, 但对于结合剂相含量相当大的3种材料, 曲线拐点仍明显地表示出其变形机理的变化。80wt%cBN和50wt%cBN材料变形机理的变化分别发生在948K (0.26Tm) 和857K (0.24Tm) 。含TiN结合剂相的45wt%cBN材料的拐点则发生在1004K (0.28Tm) 。

(a) 90 wt%cBN和80wt%cBN; (b) 80 wt%cBN、50wt%cBN 和TiC单晶

表3为本研究识别的几种材料的拐点发生温度与本杂志先前报道的利用软压头技术[13]测定的脆性-韧性转变温度的比较。可以看出, 两组数据基本上一致, 表明变形机理的变化为脆性-韧性转变。对于80wt%cBN和50wt%cBN材料, 位错运动主要发生在粘结剂相中的TiC晶体的undefined晶面, 分别在0.26Tm和0.24Tm以下的温度。在该温度范围内undefined晶面也很活跃, 但位错迁移率受到制约[5]。但是在高于0.24Tm的温度undefined滑移面的优势更为突出, 引起硬度随着温度的升高而迅速降低。对于一定材料而言, 维氏压头和软压头产生的不同应变水平引起脆性-韧性转变温度的变化。

6 结论

本研究弄清了在不同试验温度下结合剂相成分、体积分数和cBN晶粒尺寸在cBN刀具材料硬度中的作用。据观察, 在低于0.4Tm的温度下, 含TiC和TiN的材料硬度受控于变形机理的变化。通过对比软压头技术所获数据发现, 变形机理的变化为脆性-韧性转变的征兆。这意味着软压头技术是一种可与更多既有方法有效配合使用的重要工具。

对于金属和单晶材料而言, Ito-Shishokin曲线的使用为变形机理的变化提供了清楚的迹象。但是, 对于本研究所用的复合材料来说, 情况则并非如此。为了弄清这类材料中发生的变形机理, 有必要进行进一步研究, 以确定激活能与变形机理的关系。然后有可能同组成 (constitutent) 材料的激活能比较, 查明这类复合材料内组分的关系。

摘要：PcBN切削刀具用于高速高温下加工铁基合金, 为了准确地预测这种刀具材料的寿命, 尤其了解在切削温度和切削压力下发生的变形和有关机理很有必要。本研究以维氏压痕作为一种手段来评估cBN含量、结合剂相和cBN晶粒尺寸对几种PcBN材料机械性能的影响。研究表明, 随着试验温度的升高, 刀具材料的变形机理发生变化, 经证实, 压痕法有益于识别这种变化。

高速切削刀具材料 篇8

目前,对切削该类材料时的刀具磨损及其影响因素的研究还处于初级阶段,多数研究者只是给出了磨损区域的外观图像,而没有指出刀具不同部位磨损的区别及磨损机理,也没有就刀具磨损所受到的影响因素进行研究。本文在粗加工、半精加工、精加工和超精密切削工况下,采用4种不同种类的刀具切削该类铝基复合材料,研究刀具不同部位的磨损形态及机理,并分析不同的因素对刀具磨损的影响效果,为今后科研和生产中合理选择刀具提供参考。

1 试验部分

1.1 车削试验

试验在普通车床CA6140和哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的HCM-I型超精密数控车床上进行。

试验材料采用碳化硅晶须(SiCw)或碳化硅颗粒(SiCp)增强的铝基复合材料,其性能参数见表1。

采用英国Contour公司生产的聚晶金刚石(PCD)及立方氮化硼(PCBN)车刀,几何参数:前角γ0=0°,α0=5°,Kr=45°,Kr′=45°,λs=0°,长0.3mm的直线形修光刃。试验前刀具的刀刃为新磨刀刃,用原子力显微镜(AFM)测得其切削前刃口钝圆半径约为1μm;硬质合金K10固定刀片车刀,几何参数:前角γ0′=6°,α0=14°,Kr=45°,Kr′=45°,λs=0°;陶瓷Si3N4固定刀片车刀,几何参数:前角γ0=6°,α0=14°,Kr=45°,Kr′=45°,λs=0°。

切削条件为干切。

1.2 检测仪器及方法

用带探针的X-650型扫描电子显微镜SEM对刀具磨损区域进行检测和分析,用工具显微镜对刀具后刀面的磨损最大值VBmax进行测量。

2 分析与讨论

2.1 刀具磨损形态

如图1所示为刀具磨损形态的SEM图像。

从图1(a)中可以发现,后刀面磨损带上存在着深浅不一、长度不同的磨损沟痕,这些磨损沟痕都平行于切削方向,磨损的主要机理是磨料磨损。从图1(b)可以观察到,前刀面上存在着平行于切屑滑出方向的磨痕和小坑,分析后可以确定磨损沟痕为SiCw或SiCp增强相磨料磨损而生成,小坑是在刀具前刀面上的积屑瘤脱落时生成的,其机理为机械镶嵌。

2.2 刀具材料对刀具磨损的影响

如图2所示,为采用4种不同种类的刀具切削体积分数为36%的SiCp/2024铝基复合材料时刀具后刀面的磨损情况。

从图2可知,在相同切削工况下PCD刀具的磨损值最小,约是K10刀具磨损值的1/10、Si3N4刀具磨损值的1/15。另外,从图中还可发现PCBN刀具磨损值也几乎是PCD刀具的10倍,这已为本课题组的多次试验所证实[2]。

关于PCBN在切削非连续增强铝基复合材料方面的优劣性问题,目前国内外同行还存在着较大的争论。日本学者福永春秀[4]认为PCBN的耐磨性仅次于金刚石刀具而优于其它刀具,而陈平[5]的试验结果与本文所作的试验类似。分析后可以认为这种差别与被切复合材料的种类、体积分数及增强相尺寸有关。因为福永春秀切削的材料是纤维增强铝基复合材料,切削过程较平稳,而本文和陈平的试验材料是SiC非连续增强铝基复合材料,切削力波动大,因此对刀具刃口的冲击也大。

2.3 切削用量对刀具磨损的影响

切削用量(vc、f)对刀具磨损最大值VBmax的影响较大,从图3可知,切削速度vc越高、进给量f越小,则VBmax值越大。在切削SiCw、SiCp增强铝复合材料时,上述结论具有普遍意义,如文献[6]在vc=894m/min,ap=1.5mm、2.5mm的切削条件下,切削SiCp/Al复合材料仍然得到了这样的结论。

产生上述规律的原因在于:切削速度vc越高,在相同的时间内切削路程越长;进给量f越小,切削厚度hD(=f·sin Kr)越薄,加工表面与刀具后刀面间的碾压、摩擦作用越严重,而主要来自SiCw、SiCp陶瓷增强相的破碎颗粒对后刀面的研磨作用越强。因此,采用K10刀具切削时,只能采用较低的vc和较大的f。

2.4 增强相体积分数及尺寸对刀具磨损的影响

切削SiCw、SiCp增强铝复合材料时,磨损主要发生在后刀面,且磨损机理是磨料磨损。对于这种磨损形式,被切材料中SiCw、SiCp增强相的体积分数、尺寸大小是影响刀具寿命的主要因素,如图4、图5所示。

从图4可知,随着SiCp增强相体积分数的增大,后刀面最大磨损值也增大。从图5可见,SiCp增强相尺寸越大,对刀具后刀面的磨损也越严重。

2.5 刀具材料的选用原则

切削SiCw、SiCp增强铝基复合材料时,因刀具磨损非常快,国外有的文献[1]甚至干脆说只能用金刚石刀具来加工。但本文研究认为,刀具材料的正确选择应综合考虑被切削材料(SiC增强相的种类、体积分数、尺寸大小和分布规律),工件加工精度和表面质量完整性要求、机床系统等情况,且要同时考虑经济性。

本文所做的研究表明,由于PCBN刀具的制造成本与PCD刀具大体相当,而其磨损量却是后者的10倍左右(见图2),因此,不宜采用PCBN刀具来切削SiCp/2024、SiCw/2024等非连续增强的铝基复合材料;Si3N4陶瓷刀具尽管是加工难切削材料如淬硬钢、硅钢、高锰钢、镍基高温合金和钛合金等的优质刀具材料,但其切削SiCw、SiCp增强铝复合材料却没有表现出优势,刀刃极易出现破损,后刀面磨损快,因此不能用于该类复合材料的切削;涂层刀具(K10TiN)在切削该类复合材料时没有表现出优越性,因为较薄的TiN涂层抵御因SiCw(或SiCp)引起的后刀面“微切削”能力不足;虽然K10刀具磨损量约是PCD刀具的10倍以上,但由于其成本的低廉性(约为PCD刀具价格的4%～5%)。因此,粗车或半精车时可采用K10硬质合金,且宜采用较低的切削速度vc和较大的进给量f。

由于精加工大多采用较高的切削速度、较小的进给量,且要求工件具有较好的加工精度和表面质量完整性,故金刚石刀具成为精加工该类铝复合材料的唯一可用刀具,但一般遵循如下原则:(1)精加工SiCw、SiCp增强相尺寸较大的铝复合材料时,宜选用较粗颗粒的金刚石PCD刀具。因为粗颗粒的PCD具有更强的抵御SiCw、SiCp增强相引起的“微切削”作用,但一般PCD颗粒不应超过25μm。超精密加工该类材料时,可选用相对较细颗粒的金刚石刀具;

(2)一般情况下,PCD刀具选用零前角和稍大些的刃口钝圆半径rn,但对于超精密加工该类复合材料时,应选择rn尽量小的刀具。

3 结论

(1)前刀面不会发生明显的月牙洼磨损,其磨损机理是磨料磨损和粘结磨损,但都不严重。粘结导致前刀面上较易生成积屑瘤,积屑瘤脱落时易引起刀具刃口崩刃,对高硬度脆性材料刀具(如PCD),这是主要的失效形式。

(2)后刀面是切削该类材料主要的磨损部位,磨损机理是磨料磨损。

(3)影响刀具磨损的主要因素:一是刀具材料,该类铝复合材料的粗加工和半精加工可以采用硬质合金刀具,精加工和超精密加工金刚石刀具是唯一有效刀具,陶瓷刀具和涂层刀具没有优越性;二是切削用量,它对刀具耐用度的影响趋势与普通金属材料类似;三是工件材料,被切材料增强相尺寸越大、体积分数越高则刀具的磨损越严重。

参考文献

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高速切削刀具材料 篇9

树脂基玻璃纤维复合材料由硬的玻璃纤维和软的树脂基体组成,缠绕成形的树脂基玻璃纤维复合材料,其玻璃纤维的含量达80%左右,这种材料的强度和硬度都大于45钢和40Cr钢,而密度只有约2.2×103kg/m3。在树脂基玻璃纤维复合材料的切削过程中,影响刀具寿命的因素同金属材料切削一样,主要有切削热、摩擦和刃口的切削压力,而树脂基玻璃纤维复合材料中硬的质点玻璃纤维,类似于砂轮中的磨料,对刀具进行研磨,使刀具磨损加快,切削条件恶化。

2 树脂基玻璃纤维复合材料切削刀具的选择使用情况

某玻璃纤维缠绕管类零件,长1300mm,外径准130mm,为满足与其它零件的配合要求,需要对外圆进行切削加工,由于该零件的特殊要求,切削加工中不能使用冷却液,这就给切削加工带来了难度。

2.1 硬质合金刀具的使用情况

根据该零件的特点,我们最初选用的是可转位硬质合金刀具,主要从耐热性和耐磨性来考虑,选用的刀具为刀尖角为80°的等边不等角六边形、0°后角、6°前角、单面C形断屑槽,型号为WNUM130716RC5刀片,材质为YT758,这种刀具的特点是耐热性和抗氧化性好,高温硬度高,耐磨性好,适用于加工高硬度材质的零件。在用这种刀片切削该玻璃纤维复合材料零件的外圆时,刀具磨损严重,零件外表面粗糙有撕裂痕迹。切削过程中需将刀头拆下磨刀才能继续切削,刀具手工刃磨一次只能车削一刀,这样每切削一个零件需要磨刀、对刀2～3次,如果刀具不锋利时进行切削,则会造成工件外表面有撕裂痕迹(见图2),甚至产生过多热量烧伤工件,致使工件报废。根据这种情况,在切削时分成粗、精两次加工,分别由粗、精两把刀两次装夹对刀加工而成,在粗加工时切削参数采用切深ap=0.8mm,vc=130m/min,f=0.61mm/r,快速去除余量;在精加工时切削参数采用切深ap=0.3mm,vc=130m/min,f=0.3mm/r,精加工后用150#细砂布抛光到尺寸。用这种刀具切削生产效率低,每班加工7～8件,操作者的劳动强度大,对操作者的要求也高,质量也不稳定,不能满足产品的批量生产要求。

2.2 涂层刀具的试用情况

针对上述情况,经过对比,我们选用了山特维克公司生产的刀尖角为60°的等边三角形、0°后角、刀具型号为TNMX 160408-WM的刀片,材质为GC4015,这种刀具表面为金黄色TiN涂层的硬质合金,可以降低刀片表面的摩擦系数,增加刀具的耐磨性。在以相同的切削参数进行加工时,加工完一刀后发现刀片涂层已严重磨损(如图3),零件外表粗糙并有撕裂痕,显然这种刀具不能满足树脂基玻璃纤维复合材料的切削要求。

2.3 高效刀具的选用情况

2.3.1 采用高硬度刀具

试验证明,用高速工具钢、普通硬质合金刀具加工树脂基玻璃纤维复合材料时,刀具磨损极为严重,加工效率低下,因而必须选用更高硬度的刀具。聚晶金刚石(PCD)是在高温高压下由一层人造的金刚石微粉加溶剂和催化剂聚合而成的多晶体材料。以硬质合金为基体结合的镶尖刀片具有良好的抗冲击、抗弯强度和抗振性能。与硬质合金相比,其硬度高3～4倍,耐磨性和寿命提高100余倍,同时刀具的刃口非常锋利,摩擦系数小,适合有色金属和非金属材料的加工。结合以上特点,我们选用了山特维克公司生产的刀尖角为60°的等边三角形、7°后角、刀具型号为TCMW 16T308-FP、材质为CD10的聚晶金刚石刀片。

2.3.2 切削工艺参数的选定

聚晶金刚石刀片是一种新型高效刀具,在使用参数推荐手册中,列出有色金属的推荐切削参数,对于树脂基玻璃纤维复合材料的切削,手册中没有提及,其它的切削手册中也没有涉及到此类材料加工切削参数,所以在实际的加工过程中,我们根据加工经验,结合硬质合金时切削参数,进行了一系列的工艺试验,最后针对这种零件和材料特点,确定了一个工艺参数为切深ap=1.1mm,vc=110～130m/min,f=0.25～0.35mm/r。实现切削余量一次去除,减少一次走刀。经过多次切削试验表明,刀具十分稳定,平均每个刀尖可加工150件零件,连续加工150件零件没有磨刀,刀尖略有磨损,所加工的零件表面光洁度良好(如图4),加工后的零件光洁度不用砂布抛光就能达到要求,大大减轻了操作者的劳动强度,同时刃磨刀具、抛光等辅助时间也大大减少,降低了加工成本。用该刀具每班可加工零件20件,生产效率提高1倍多,所加工的零件质量大大提高,稳定了切削工艺。

3 结论

在树脂基玻璃纤维复合材料的切削过程中,使用聚晶金刚石刀片,并按合理的切削工艺参数进行加工,可以稳定切削树脂基玻璃纤维复合材料,提高加工效率,降低了加工成本,提高零件的加工质量。

摘要：以树脂为基体的玻璃纤维复合材料具有比强度和比刚度高、良好的抗疲劳性、独特的可设计性等优良特性,已被广泛应用于航空航天、国防军工及民用等诸多领域。文中通过一系列工艺实验,指出聚晶金刚石刀具是加工玻璃纤维复合材料的最适用刀具材料,并绘制了合理的工艺参数。

关键词：刀具,树脂基复合材料,切削性能

参考文献