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加工 ISO P 类工件材料面临的诸多挑战

国际金属加工网 2014年09月05日

ISO P 类工件材料包括通常被人们称为钢件的金属材料。尽管钢件在材料层面上未表现出明显的加工挑战(比如航空航天领域使用的耐热航天合金),但是合金钢和铁却是各行各业应用最广的工件材料。如此广泛的用途催生了人们开发各种各样具有不同物理属性的合金钢,这就产生了各种金属切削性能问题。除了大批量生产需要考虑经济因素之外,这些问题还使得 ISO P 类钢件的加工成为零件制造商以及这些零件的刀具制造商面临的一项重大挑战。

ISO 体系

ISO 金属加工工件材料分类体系分为六大类。K 类包括铸铁。镍基和钛基合金等耐热高温合金属于 S 类。H 类的材料特点在于硬度,基本包括硬度为 45-65 HRc 的钢件。不锈钢(铬含量大于 12% 的合金钢)组成了 M 类。N 类包含有色金属,主要是铝、铜和黄铜。最后是包含碳素钢、低合金钢及高合金钢的 P 类,其中包括硬度高达 400HB 的合金钢和铬含量不超过 12% 的不锈钢。有些长切屑的可锻铸铁也属于 ISO P 类。

上述分类基本上是依据不同材料的主要物理属性。这些属性本质上决定着材料的加工表现及其对切削的影响。K 类金属的特点是磨蚀性,这会加快刀具的磨损。S 类中的耐热高温合金通常导热性不良,这会导致切削区积聚热量而使切削刀具变形。H 类金属的硬度不仅会对刀具产生很大的压力,而且还会产生热量。M 类具有应变硬化的特点,工件材料在切削过程中会随着变形而变硬。切削压力和发热量的增加会造成沟槽磨损及其他问题。N 类金属表现出粘着切削刀具的倾向,会造成积屑瘤、表面质量不佳以及切削刀具断裂。

由于上述五类 ISO 材料或多或少各有一种主要物理属性,因此设计切削刀具时可以在一定程度上消除其属性对切削刀具的不利影响。例如,用于切削 H 类材料的刀具一般需要较高的强度,而 切削N 类金属的刀具更加锋利,并采用有利于形成切屑流的设计,以最大限度地降低切削刃粘着的风险。

但是,ISO P 类工件带来了更复杂的挑战。钢件,尤其是千差万别的合金钢,通常会表现出不止一种甚至所有影响切削刀具性能的属性,尽管通常不是极端情况。这给刀具的开发造成了难题;例如,在许多情况下,为应对低合金钢粘着倾向而设计的锋利刃口刀具可能无法承受另一种钢成分的磨蚀特性。此外,由于制造商追求与客户零件的特定性能需求相匹配的材料,所以各种专用合金钢的开发仍旧势头不减。

了解金属切削

加工合金钢时,如何高效地平衡刀具的各种性能属性如同在钢丝上跳舞一般。要达到这种平衡,需要了解金属切削的本质以及工件材料与切削刀具之间的相互作用。

金属切削不是与刀切方式类似的劈开过程,而是对工件材料施加压力,直到使其变形并以切屑形式剪切下来的过程。剪切操作伴随着许多附加影响。使材料充分变形所需的机械力会产生高压力和高热量,导致温度达到 800-900 ˚C 水平。断续切削或者加工带有硬内含物的零件会使切削刀具受到冲击作用。除了机械因素之外,高温高压还会催化切削材料与工件材料之间发生化学反应,导致出现扩散或月牙洼形式的化学磨损。最后但同样重要的是,金属切削会产生强烈的磨擦。由于切削过程形成切屑并在刀具上磨擦,因此会产生摩擦,这称为磨擦学效应;摩擦学是研究一定温度和压力下相互接触的表面并测定这些表面相互改变程度的科学。所有这些作用力和相互作用都会产生不同的结果;或许最重要的结果是造成刀具磨损。

不同的钢件选用不同的刀具

加工过程对钢件的影响取决于合金钢成分和钢件的制造工艺。例如碳含量低于 0.25% 的碳素钢,它用于那些要求强度高、耐冲击、抗断裂的汽车轮轴等应用中。经过轧制或锻造的合金钢会产生难以断开的切屑,这些切屑会刮擦刀具表面并产生月牙洼磨损甚至粘着问题。对于这些成分,切削刀具设计具有锋利的刃口,以便更加高效地剪切工件材料,同时采用镀层抵抗化学磨损,并为切削表面提供润滑

另一方面,合金(包括锰等元素)含量超过 5% 的高合金钢可以经过硬化用于制造需要耐磨性和刚性的部件,比如液压部件和机床零件等。通常产生的切屑容易成形和断开,但是加工这些合金的刀具会承受高压高温。对于通过铸造或锻造工艺生产的未加工工件,其坚硬的表面和可能来自模具的内含物会要求切削刀具兼具韧性和耐磨蚀性。

专为钢件车削设计的刀片示例:WNMG080404-MF2,TP1500


专为钢件铣削设计的刀片示例:LOEX080404TR-M08,F40M

经济因素

加工操作的传统目标是以更快的速度生产更多的零件,因此需要尽可能采用最激进的切削参数。但是,其他问题会限制这个简单的目标。在选择切削参数时,经济因素起着十分关键的作用。特种合金制造的航空航天部件等零件在大多数情况下产量相对较低。制造商之所以以这种速度加工零件,是为了最大限度地提高工艺可靠性,保护昂贵的工件材料和已投入的宝贵制造时间。因此,高级工件材料采用的加工速度和进给量通常高效但相对保守。

钢件加工方法通常各不相同。许多钢件需要大批量生产,并且要求尽快完成,以便用低廉的工件材料来加工相对简单的零件来从而获取最大的经济回报。加快切削速度通常会提升生产率,但这要求切削刀具的基体能在高切削温度下保持高强度。鉴于合金钢的品种日益增多,制造商或机床车间有必要咨询刀具制造商,以便确定最适合某一特定应用的刀具材质等级和槽形。当前进行的刀具开发旨在生产出可以解决合金钢多种加工问题的刀具。制造商寻求更锋利且更强壮的刀具,并能够通过镀层和槽形克服热量、压力、化学和粘着磨损问题。

环境因素

环境因素是制造商近几年才考虑的一项因素,它也影响钢件材料加工参数的选择。许多制造商现在注重环境意识或“绿色”加工倡议。其中包括降低能源消耗、尽量减少加工过程产生的废物。尽管在加工特种金属时,技术方面的挑战仍是主要问题,但环保因素在加工钢件时的重要性变得日益突出。

减少能耗的一种方法是降低切削速度。在许多情况下,制造商可以通过成比例地增加进给率和切削深度来保持生产率。除了节省能源外,该策略还能延长刀具寿命。这反过来又会减少加工产生的废料流,因为生产同样数量的零件会消耗更少的切削刃和“用完即扔的”刀片。降低切削速度还会减少发热,从而可以减少金属加工冷却液的需求,因为冷却液本身也会变成金属加工过程不需要的废物。

结论

由于 ISO P 类钢件广为人知,并且广泛用于制造常规零件,所以涉及合金钢的加工通常不会受到密切关注和详细分析。但是,如果制造商了解到钢件的许多加工难题可以通过仔细选择刀具加以消除,那么他们即使对大批量零件的生产率进行细小的改进,也会显著地提升盈利能力,甚至还对环保大有好处。

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