超硬刀具及其在硬車削加工中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高硬度的工程材料越來(lái)越多地被采用，而傳統(tǒng)的車削技術(shù)難以勝任或根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)某些高硬度材料的加工。涂層硬質(zhì)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(xué)穩(wěn)定性，這為高硬度材料的切削加工提供了*基本的前提條件，并在生產(chǎn)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(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)是實(shí)現(xiàn)硬車削的基本要素，因此，如何選擇超硬刀具材料，設(shè)計(jì)出合理的刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)對(duì)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)硬車削是十分重要的。

1，超硬刀具材料及其選用

涂層硬質(zhì)合金

    在韌性較好的硬質(zhì)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(dǎo)系數(shù)，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(xué)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*高壓力分別可達(dá)到3580MPa和3775MPa，TiAlN涂層因缺乏可靠的彈性模量數(shù)據(jù)而得不到準(zhǔn)確的壓應(yīng)力值，高速切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TiAlN性能*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*高，當(dāng)溫度超過[Y;\時(shí)，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(shí)用2種切削速度v1=193.5m/min和v2=380m/min條件下的刀具壽命，實(shí)驗(yàn)表明TiCN和TiAlN涂層的切削性能明顯優(yōu)于TiN涂層。

    盡管PVD涂層顯示出很多優(yōu)點(diǎn)，但一些涂層如Al2O3和金剛石則傾向于采用CVD涂層技術(shù)。Al2O3是一種耐熱和抗氧化很強(qiáng)的涂層，它能夠?qū)⒌毒唧w和切削產(chǎn)生的熱量隔離開。通過CVD涂層技術(shù)，還可以綜合各種涂層的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到*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(yōu)良的隔熱效果等。

    涂層硬質(zhì)合金刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，無(wú)論在強(qiáng)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(zhì)合金可實(shí)現(xiàn)高速車削。近年來(lái)，一些廠家應(yīng)用改進(jìn)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(shù)生產(chǎn)的涂層刀片，硬度高達(dá)HV4500~4900，可在498.56m/min的速度時(shí)切削硬度HRC47~58的模具鋼。在車削溫度高達(dá)1500~1600°C時(shí)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(jié)構(gòu)和壓制工藝的不斷改進(jìn)，特別是納米技術(shù)的進(jìn)展，使得陶瓷刀具的增韌成為可能，在不久的將來(lái)，陶瓷可能繼高速鋼、硬質(zhì)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(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750~1000MPa)，耐磨性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗粘結(jié)性能良好，摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度，1200°C時(shí)硬度達(dá)到HRA80。

    正常切削時(shí)，陶瓷刀具耐用度極高，切削速度可比硬質(zhì)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(dá)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(zhì)合金有更高的紅硬性，高速切削狀態(tài)下切削刃一般不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，但它的強(qiáng)度和韌性很低，為改善其韌性，提高耐沖擊性能，通�？杉尤隯rO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(diǎn)是在加工鋼時(shí)易產(chǎn)生高溫?cái)U(kuò)散，加劇刀具磨損，氮化硅基陶瓷主要應(yīng)用于斷續(xù)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(zhì)相(0.5~2µm)，它們通過Co或Ti粘結(jié)劑結(jié)合起來(lái)，是一種與硬質(zhì)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(guī)硬質(zhì)合金能承受更高的切削溫度，但缺乏硬質(zhì)合金的耐沖擊性、強(qiáng)力切削時(shí)的韌性以及低速大進(jìn)給時(shí)的強(qiáng)度。近年通過大量的研究、改進(jìn)和采用新的制作工藝，其抗彎強(qiáng)度和韌性均有了很大提高，如日本三菱金屬公司開發(fā)的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山德維克公司開發(fā)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(xì)小至1µm以下，抗彎強(qiáng)度和耐磨性均遠(yuǎn)高于普通的金屬陶瓷，大大拓寬了其應(yīng)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(xué)穩(wěn)定性稍差，但沖擊強(qiáng)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(zhì)合金刀具相比，其切削速度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

    CBN含量高的復(fù)合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強(qiáng)度高及耐沖擊韌性好，其缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差和化學(xué)惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)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(jié)劑，其硬度較低，但彌補(bǔ)了前一種材料熱穩(wěn)定性差、化學(xué)惰性低的特點(diǎn)，適用淬硬鋼的切削加工。

    在切削灰鑄鐵和淬硬鋼時(shí)，可選擇陶瓷刀具或CBN刀具，為此，應(yīng)進(jìn)行成本效益和加工質(zhì)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(yōu)于Al2O3和Si3N4。但在淬硬鋼干式切削時(shí)，Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料。陶瓷刀具有良好的熱化學(xué)穩(wěn)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(jìn)給量時(shí)，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(dòng)化加工和高精度加工時(shí)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(yīng)力也比陶瓷刀具相對(duì)穩(wěn)定，如圖4所示。
 

    使用PCBN刀具干式切削淬硬鋼還應(yīng)遵循以下原則：在機(jī)床剛性允許條件下盡可能選擇大切深，這樣切削區(qū)生成的熱量使得刃前區(qū)金屬局部軟化，能有效降低PCBN刀具的磨損，此外，在小切深時(shí)還應(yīng)考慮采用PCBN刀具導(dǎo)熱性差而使得切削區(qū)熱量來(lái)不及擴(kuò)散，剪切區(qū)也能產(chǎn)生明顯的金屬軟化效應(yīng)，減小切削刃的磨損。

2，超硬刀具的刀片結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)

    刀片形狀及幾何參數(shù)的合理確定對(duì)充分發(fā)揮刀具切削性能是至關(guān)重要的。按刀具強(qiáng)度而言，各種刀片形狀的刀尖強(qiáng)度從高到低依次為：圓形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料選定后，應(yīng)選用強(qiáng)度盡可能高的刀片形狀。硬車削刀片也應(yīng)選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑，用圓形及大刀尖圓弧半徑刀片粗加工，精加工時(shí)的刀尖圓弧半徑約為0.8µm左右。

    淬硬鋼切屑為紅而酥軟的緞帶狀，脆性大，易折斷，不粘結(jié)，淬硬鋼切削表面質(zhì)量高，一般不產(chǎn)生積屑瘤，但切削力較大，特別是徑向切削力比主切削力還要大，所以，刀具宜采用負(fù)前角(go≥-5°)和較大的后角(ao=10°~15°)。主偏角取決于機(jī)床剛性，一般取45°~60°，以減少工件和刀具顫振。

超硬刀具切削參數(shù)及對(duì)工藝系統(tǒng)的要求

1，切削參數(shù)的選擇

    工件材料硬度越高，其切削速度應(yīng)越小。使用超硬刀具進(jìn)行硬車削精加工的適宜切削速度范圍為80～200m/min，常用范圍為10～150m/min；采用大切深或強(qiáng)力斷續(xù)切削高硬度材料，切速應(yīng)保持在80～100m/min。一般情況下，切深為0.1～0.3mm之間。

    加工表面粗糙度低的工件，可選小的切削深度，但不能太小，要適宜。進(jìn)給量通�？梢赃x擇0.05～0.25mm/r之間，具體數(shù)值視表面粗糙度值和生產(chǎn)率要求而定。當(dāng)表面粗糙度Ra=0.3～0.4µm時(shí)，采用超硬刀具進(jìn)行硬車削比用磨削經(jīng)濟(jì)得多。

2，對(duì)工藝系統(tǒng)的要求

    除選擇合理的刀具外，采用超硬刀具進(jìn)行硬車削對(duì)車床或車削中心并無(wú)特殊要求，若車床或車削中心剛度足夠，且加工軟的工件時(shí)能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于硬切削。為了保證車削操作的平穩(wěn)和連續(xù)，常用的方法是采用剛性?shī)A緊裝置和中等前角刀具。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋轉(zhuǎn)可以保持相當(dāng)平穩(wěn)狀態(tài)，現(xiàn)有的設(shè)備就可采用超硬刀具進(jìn)行硬車削。

超硬刀具在硬車削中的應(yīng)用

    采用超硬刀具進(jìn)行硬車削，此項(xiàng)技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展及推廣應(yīng)用，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下面以軋輥加工等行業(yè)為例，說明超硬刀具在生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用情況。

軋輥加工行業(yè)

    國(guó)內(nèi)許多大型軋輥企業(yè)已使用超硬刀具對(duì)冷硬鑄鐵、淬硬鋼等各類軋輥進(jìn)行荒車、粗車和精車，均取得了良好的效益7平均提高加工效率2～6倍，節(jié)約加工工時(shí)和電力50%～80%。如武漢鋼鐵公司軋輥廠對(duì)硬度為HS60～80的冷硬鑄鐵軋輥粗車、半精車時(shí)，切削速度提高了3倍，每車1根軋輥，節(jié)約電力、工時(shí)費(fèi)四百多元，節(jié)約刀具費(fèi)近一百元，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。如我校用FD22金屬陶瓷刀具車削HRC58～63的86CrMoV7淬硬鋼軋輥時(shí)(Vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.8mm)，單刃連續(xù)切削軋輥路徑達(dá)15000m(刀尖后刀面磨損帶的*大寬度VBmax=0.2mm)，滿足了以車代磨的要求。

工業(yè)泵加工行業(yè)

    目前國(guó)內(nèi)碴漿泵生產(chǎn)廠的70%～80%已采用超硬刀具。碴漿泵廣泛應(yīng)用于礦山、電力等行業(yè)，是國(guó)內(nèi)外急需的產(chǎn)品，其護(hù)套、護(hù)板是HRC63～67的Cr15Mo3高硬鑄鐵件。過去由于各種刀具難以車削這種材料，所以只得采用退火軟化后粗加工，然后再淬火加工的工藝。采用超硬刀具以后，順利實(shí)現(xiàn)了一次硬化加工，免除了退火再淬火2道工序，節(jié)約了大量工時(shí)和電力。

汽車加工行業(yè)

    在汽車、拖拉機(jī)等行業(yè)中的曲軸、凸輪軸、傳動(dòng)軸的加工，刃具、量具的加工和設(shè)備維修中，經(jīng)常會(huì)碰到淬硬工件的加工難題。如我國(guó)某機(jī)車車輛廠，在設(shè)備維修中需要對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行加工，軸承內(nèi)圈(材料GCr15鋼)的硬度為HRC60，內(nèi)圈直徑為f285mm，采用磨削工藝，磨削余量不均勻，需2h才能磨好；而先用超硬刀具，僅用45min就加工成一個(gè)內(nèi)環(huán)。

結(jié)語(yǔ)

    經(jīng)過多年的研究和探索，我國(guó)在超硬刀具方面取得了很大的進(jìn)展，但是，超硬刀具在生產(chǎn)中的應(yīng)用還不廣泛。原因主要有以下幾個(gè)方面：

    生產(chǎn)企業(yè)、操作者對(duì)采用超硬刀具進(jìn)行硬車削的效果了解不夠，普遍認(rèn)為硬材料只能磨削；

    認(rèn)為刀具成本太高。硬車削*初的刀具成本比普通硬質(zhì)合金刀具高(如PCBN比普通硬質(zhì)合金貴十多倍)，但其分?jǐn)傇诿總�(gè)零件上的成本比磨削還低，且?guī)��?lái)的效益比普通硬質(zhì)合金要好得多；

    對(duì)超硬刀具加工機(jī)理研究不夠；

    超硬刀具加工的規(guī)范不足以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

    因此，除了對(duì)超硬刀具加工機(jī)理進(jìn)行深入研究外，還必須加強(qiáng)超硬刀具加工知識(shí)的培訓(xùn)、成功經(jīng)驗(yàn)演示及嚴(yán)格操作規(guī)范，使這種高效、潔凈的加工方法更多地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。