高速切削加工中刀具材料的选用

一、前言

20多年前,高速切削主要用于航空航天工业的铝合金加工,随着新型刀具材料的不断涌现,人们开始从事普通钢、铸铁、高强度钢、高温合金、钛合金及复合材料等的高速切削研究工作,并不断取得新的成果。

我国尽管还没有自制的高速切削生产设备,但已有一部分企业进口了相当数量的高速切削加工设备,而大部分用户都面临缺乏高速切削资料的问题。本文就文献中分散、零星的刀具材料选用作一详细的总结,按被加工材料进行分类阐述,以满足不同用户的需要。

二、高速切削加工刀具材料选用

铝合金

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2000～4000m/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°。

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。

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。

高硬度钢

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)。

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。

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。

复合材料

航天用的先进复合材料(如Kevlar和石墨类复合材料),以往用硬质合金和PCD,硬质合金的切削速度受到限制,而在900℃以上高温下PCD刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化,用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。

三、干切削用刀具

使用于干切削工艺的刀具材料有:陶瓷、金属陶瓷、涂层硬质合金及PCBN,就红硬性和热稳定性来说,PCBN材料是最适合高速干切工艺的刀具材料,能获得比湿切削更高的刀具寿命。

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