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切削刀片浅析
浏览数:124091   发布时间:2018-11-1

1 引言

进入 21 世纪以来,大量高精度数控机床进入了制造行业,与此同时,高效先进刀具也普及到了高端制造领域。认知高效刀具的加工理念,合理选择高效刀具,实现加工成本和加工效率的完美结合,成为当今制造业研究的重点课题之一。了解一些有关切削刀片的制造工艺技术、设计理念,对于刀具的正确使用和性能优化将会大有裨益。

2 刀具材料

刀具材料的发展是一个历史过程,从碳素工具钢发展到高速钢、高性能高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼,可转位结构刀具的推广,对刀具的材料提出了更高的要求。但新材料的出现并不完全意味着对原有材料的替代,每一种刀具材料的性能都不可避免的具有局限性,只能在一定范围内使用,因此刀具材料和加工工件材料的匹配更是至关重要了。

2.1 高速钢刀具材料

高速钢刀具材料曾是制造刀具的主流,虽然由于硬质合金的广泛使用,其份额不断缩减,但通过在元素调配、热处理工艺改进、晶粒细化等方面的不断完善和提高,高速钢刀具在钻、铰等低速切削领域及镜面加工领域仍占有重要地位。

高速钢刀具在高效先进刀具中所占的比重较小,但并不代表高速钢刀具的制造技术水平低。根据《工具展望》发布的中国机械工业金属切削刀具工业协会调查结果显示,目前国内高性能粉末冶金高速钢刀具用材主要依靠进口。

2.2 硬质合金刀具材料

硬质合金刀具是以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末为硬质相,以钴为粘结相的粉末冶金制品。

随着技术的发展,出现了以钛基硬质微粒为主体的硬质合金,称为金属陶瓷。与烧结硬质合金相比,提高了耐磨性,典型应用有不锈钢、球墨铸铁、低碳钢的精加工。

2.3 陶瓷

陶瓷有很高的高温硬度,在 1200°C 高温时,硬度仍能达到 HRA80,另外陶瓷的化学惰性大,和被加工亲属亲和作用小,因此陶瓷材料适用于高速切削。陶瓷的局限性包括耐热冲击性和断裂韧性。目前,广泛运用的陶瓷种类有:纯氧化铝陶瓷、复合氧化铝陶瓷,氮化硅陶瓷、晶须陶瓷、赛阿龙陶瓷等。

陶瓷是一种廉价的非金属刀具材料,陶瓷的原料在自然界很容易得到,是一种极有发展前途的新型刀具材料。

2.4 金刚石

金刚石是目前已知的最硬物质,因此也是耐磨料磨损性最强的材料。人造单晶金刚石可以制造金刚石砂轮,切削加工用的聚晶金刚石刀片是单晶金刚石经过二次压制形成的。

金刚石缺乏高温下的化学稳定性,很容易溶解于铁中,因此不适合加工铁族材料。常用于有色金属、金属基复合材料和碳纤维增强塑料的精加工。

2.5 立方氮化硼 CBN

立方氮化硼是六方氮化硼的同素异形体,是人类已知的硬度仅次于金刚石的物质CBN 的热稳定性和化学惰性大大优于金刚石。 CBN 与硬质合金压制一起称为复合刀片,能极大的提高淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等材料的加工效率。当精车淬硬零件时,其加工精度与表面质量足以代替磨削。

3 涂层技术

随着技术的发展,涂层技术也取得了长足的进步。涂层刀片采用韧性较好的基体涂覆上硬度和耐磨性极高的表层,较好的解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾,因而提高了切削性能。在相同刀具寿命下,涂层刀片允许采用较高的切削速度,或者在同切削速度下大幅度地提高使用寿命。此外涂层刀片的通用性较好。

3.1 涂层技术种类

涂层技术主要有化学气相沉积 CVD、物理气相沉积 PVD 两种,另外还有物理化学气相沉积 PCVD、等离子增强化学气相沉积 PECVD、中温化学气相沉积 MTCVD 等。

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3.2 几种主要的涂层材料

TiN 涂层:常见的一种通用性涂层,可以提高刀具的硬度和氧化温度,涂层呈金黄色。

TiCN涂层:通过在 TiN 涂层中添加碳元素,提高了涂层的硬度和表面光洁度,涂层呈灰黑色。

TiAlN 涂层:提高了高温切削寿命,适合于干切削,涂层呈紫色。

CrN 涂层:这种涂层具有较好的抗粘接性能,是对抗积削瘤的首选方案,涂层呈银亮色。

金刚石涂层:金刚石涂层可以显著提高加工非铁族材料刀具的切削性能,目前已经可以实现 CVD 方式涂覆。

3.3 复合涂层

为了提高涂层综合性能,采用涂层材料复合、涂层层构复合及涂层方法复合的手段,弥补单层缺陷,改善涂层整体性能。例如:CVD 涂层 TiC-Ti(CN)-TiN,表层的 TiN 硬度较 TiC 低,与基体结合稍差,但与铁基金属之间的摩擦系数更小,抗月牙洼磨损的能力更强;最里层的 TiC 硬度高,耐磨性好,线膨胀系数与基体比较接近,结合比较牢固;中间层的 Ti(CN)过渡,其中 TiN 的百分比由内到外递增。

4 刀具磨损及对策

刀具磨损是切削加工中最基本的问题之一。定义和了解刀具磨损,可以帮助刀具制造商和用户延长刀具寿命。此外,当今的刀具涂层技术提供了进一步延长刀具寿命的有效手段,同时可以显著提高生产率。

4.1 刀具磨损和刀具寿命

刀具磨损包括以下几种类型;后刀面磨损;刻划磨损;月牙洼磨损;切削刃磨钝;切削刃崩刃;切削刃裂纹;灾难性失效。

对于刀具寿命,并没有被普遍接受的统一定义,通常取决于不同的工件和刀具材料,以及不同的切削工艺。定量分析刀具寿命终止点一种方式是设定一个可以接受的最大后刀面磨损极限值(用 VB 表示)。刀具寿命可用预期刀具寿命的泰勒公式表示,即:

VcTn=C

公式中,Vc 为切削速度;T 为刀具寿命;N C 是根据实验或已发表的技术资料确定的常数。

4.2 改变刀具基体

通过在 1~5μm 范围内改变碳化钨的粒度,刀具制造商可以改变硬质合金刀具的基体性能。基体材料的粒度对于切削性能和刀具寿命起着重要作用。粒度越小,刀具的耐磨性越好。细颗粒基体主要用于加工航空牌号材料的刀片。

此外可以通过调整硬质合金刀具材料中钴的含量,来满足特定切削加工的韧性或者耐磨性的要求。

刀具基体的性能还可以通过在接近外表面形成富钴层,或者通过在硬质合金材料中有选择性地添加其他合金元素(如钛、钽、钒、铌等)而获得增强。富钴层可以显著提高切削刃的强度,从而提高粗加工和断续切削加工的性能。

4.3 选择正确的涂层

涂层有助于提高刀具的切削性能。不同的涂层具有相对突出的优势和不足,可以针对性的满足不同切削加工的需要,涂层技术在第 3 节中已有详细论述。

5 结语

目前刀具市场上,琳琅满目的刀片种类让人无从分辨。各刀具商提供的技术说明只能做为一个品牌内的纵向参考。如何做品牌间的横向对比呢?答案之一是目测。目测可以分辨刀片的做工,例如刀片切削刃、排屑槽的加工质量等。但不能分辨优质刀片和劣质刀片的基体材料上

的差别。正确答案毫无疑问是试验切削。实践是检验真理的唯一标准。参考文献


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