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    超硬刀具及其在硬車削加工中的應用

    隨著現代科學技術的發展,各種高硬度的工程材料越來越多地被采用,而傳統的車削技術難以勝任或根本無法實現對某些高硬度材料的加工。涂層硬質合金、陶瓷、PCBN等超硬刀具材料因其具有很高的高溫硬度、耐磨性和熱化學穩定性,這為高硬度材料的切削加工提供了最基本的前提條件,并在生產中取得了明顯效益。

       超硬刀具及其選用

       超硬刀具采用的材料及其刀具結構和幾何參數是實現硬車削的基本要素,因此,如何選擇超硬刀具材料,設計出合理的刀具結構和幾何參數對穩定實現硬車削是十分重要的。

       1,超硬刀具材料及其選用

       涂層硬質合金

       在韌性較好的硬質合金刀具上涂覆1層或多層耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al3O2等,涂層的厚度為2~18μm,涂層通常具有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導系數,減弱了刀具基體的熱作用;另一方面能有效地改善切削過程的摩擦和粘附作用,降低切削熱的生成。

       涂層按生成方法可分為物理氣相沉積(PVD)與化學氣相沉積(CVD)2種。PVD涂層(2~6μm)主要包括TiN、TiCN、TiAlN等,其成分還在不斷地增加,如TiZrN。TiN和TiC涂層的最高壓力分別可達到3580MPa和3775MPa,TiAlN涂層因缺乏可靠的彈性模量數據而得不到準確的壓應力值,高速切削實驗結果表明TiAlN性能最好。圖1為這3種涂層硬度隨溫度變化的情況,在室溫下硬度最高,當溫度超過[Y;時,TiAlN涂層的硬度高于TiCN和TiN涂層。圖2為加工鎳基高溫合金Inconel178時用2種切削速度v1=193.5m/min和v2=380m/min條件下的刀具壽命,實驗表明TiCN和TiAlN涂層的切削性能明顯優于TiN涂層。

       盡管PVD涂層顯示出很多優點,但一些涂層如Al2O3和金剛石則傾向于采用CVD涂層技術。Al2O3是一種耐熱和抗氧化很強的涂層,它能夠將刀具體和切削產生的熱量隔離開。通過CVD涂層技術,還可以綜合各種涂層的優點,以達到最佳的切削效果,滿足切削加工的需要。例如。TiN具有低摩擦特性,可減少涂層組織的損耗,TiCN可降低后刀面的磨損,TiC涂層硬度較高,Al2O3涂層具有優良的隔熱效果等。

       涂層硬質合金刀具與硬質合金刀具相比,無論在強度、硬度和耐磨性方面均有了很大提高。車削硬度在HRC45~55的工件,低成本的涂層硬質合金可實現高速車削。近年來,一些廠家應用改進涂層材料等方法,使涂層刀具的性能有了極大的提高。如美、日的一些廠家采用瑞士AlTiN涂層材料和新涂層專利技術生產的涂層刀片,硬度高達HV4500~4900,可在498.56m/min的速度時切削硬度HRC47~58的模具鋼。在車削溫度高達1500~1600°C時仍然硬度不降低、不氧化,刀片壽命為一般涂層刀片的4倍,而成本只有30%,且附著力好。

       陶瓷材料

       陶瓷刀具材料隨著其組成結構和壓制工藝的不斷改進,特別是納米技術的進展,使得陶瓷刀具的增韌成為可能,在不久的將來,陶瓷可能繼高速鋼、硬質合金以后引起切削加工的第3次革命。陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強度(抗彎強度為750~1000MPa),耐磨性好,化學穩定性好,抗粘結性能良好,摩擦系數低且價格低廉等優點。不僅如此,陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度,1200°C時硬度達到HRA80。

       正常切削時,陶瓷刀具耐用度極高,切削速度可比硬質合金提高2~5倍,特別適合高硬度材料加工、精加工以及高速加工,可切削硬度達HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵等。常用的有:氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。

       氧化鋁基陶瓷刀具比硬質合金有更高的紅硬性,高速切削狀態下切削刃一般不會產生塑性變形,但它的強度和韌性很低,為改善其韌性,提高耐沖擊性能,通常可加入ZrO或TiC和TiN的混合物,另一種方法是加入純金屬或碳化硅晶須。氮化硅基陶瓷除紅硬性高以外,還具有良好的韌性,與氧化鋁基陶瓷相比,它的缺點是在加工鋼時易產生高溫擴散,加劇刀具磨損,氮化硅基陶瓷主要應用于斷續車削灰鑄鐵及銑削灰鑄鐵。

       金屬陶瓷是一種以碳化物為基體材料,其中TiC為主要的硬質相(0.5~2μm),它們通過Co或Ti粘結劑結合起來,是一種與硬質合金相似的刀具,但它具有較低的親和性、良好的摩擦性及較好的耐磨性。它比常規硬質合金能承受更高的切削溫度,但缺乏硬質合金的耐沖擊性、強力切削時的韌性以及低速大進給時的強度。近年通過大量的研究、改進和采用新的制作工藝,其抗彎強度和韌性均有了很大提高,如日本三菱金屬公司開發的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山德維克公司開發的金屬陶瓷刀片新品CT系列和涂層金屬陶瓷刀片系列,其晶粒組織的直徑細小至1μm以下,抗彎強度和耐磨性均遠高于普通的金屬陶瓷,大大拓寬了其應用范圍。

       立方氮化硼(CBN)

       CBN的硬度和耐磨性

       僅次于金剛石,有極好的高溫硬度,與陶瓷相比,其耐熱性和化學穩定性稍差,但沖擊強度和抗破碎性能較好。它廣泛適用于淬硬鋼(HRC≥50)、珠光體灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和高溫合金等的切削加工,與硬質合金刀具相比,其切削速度可提高一個數量級。

       CBN含量高的復合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好,其缺點是熱穩定性差和化學惰性低,適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工。PCBN刀具中CBN顆粒含量較低,采用陶瓷作粘結劑,其硬度較低,但彌補了前一種材料熱穩定性差、化學惰性低的特點,適用淬硬鋼的切削加工。

       在切削灰鑄鐵和淬硬鋼時,可選擇陶瓷刀具或CBN刀具,為此,應進行成本效益和加工質量分析,以確定選擇哪一種。圖3為Al2O3、Si3N4和CBN刀具加工灰鑄鐵后刀面磨損情況,如圖3所示,PCBN刀具材料切削性能優于Al2O3和Si3N4。但在淬硬鋼干式切削時,Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料。陶瓷刀具有良好的熱化學穩定性,但卻不及PCBN刀具的韌性和硬度。在切削硬度低于HRC60以下和采用小進給量時,陶瓷刀具是較好的選擇。PCBN刀具適于切削硬度高于HRC60的工件,尤其在自動化加工和高精度加工時更為適用。除此之外,在相同后刀面磨損情況下,PCBN刀具切削后的工件表面殘余應力也比陶瓷刀具相對穩定,如圖4所示。

       使用PCBN刀具干式切削淬硬鋼還應遵循以下原則:在機床剛性允許條件下盡可能選擇大切深,這樣切削區生成的熱量使得刃前區金屬局部軟化,能有效降低PCBN刀具的磨損,此外,在小切深時還應考慮采用PCBN刀具導熱性差而使得切削區熱量來不及擴散,剪切區也能產生明顯的金屬軟化效應,減小切削刃的磨損。

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