硬車削的刀具材料及其選用

　　1.涂層硬質(zhì)合金

　　涂層硬質(zhì)合金刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金刀具上涂覆一層或多層耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al2O3等，涂層的厚度為2～18μm，涂層通常起到以下兩方面的作用：一方面，它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，它能夠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。涂層硬質(zhì)合金刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，無論在強(qiáng)度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。對干硬度在HRC45～55HRC之間的工件的車削，低成本的涂層硬質(zhì)合金可實(shí)現(xiàn)高速車削。近年來，一些廠家靠改進(jìn)涂層材料與比例的方法，也使得涂層刀具的性能有極大的提高。如美國、日本一些廠家采用瑞士AlTiN涂層材料和新涂層專利技術(shù)生產(chǎn)的刀片，硬度高達(dá)4500～4900HV，在車削溫度高達(dá)1500℃～1600℃時(shí)硬度仍然不降低，不氧化，刀片壽命為一般涂層刀片的4倍.而成本只為30%，且附著力好。它可以在498.56m/min的速度下加工硬度達(dá)47～52HRC的模具鋼。

　　2.陶瓷材料

　　陶瓷刀具具有高硬度(91～95HRA)、高強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750～1000 MPa)、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、良好的抗粘結(jié)性能、摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉的特點(diǎn)。使用正常時(shí)，耐用度極高，車速可比硬質(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，可加工硬度為62HRC的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵。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。近年來通過大量的研究、改進(jìn)和采用新的制作工藝，陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度和韌性均有了很大的提高，如日本三菱金屬公司開發(fā)的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山特維克公司可樂滿開發(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，大大拓寬了陶瓷材料的應(yīng)用范圍。清華大學(xué)研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

　　3.CBN

　　CBN的硬度和耐磨性僅次于金剛石，有極好的高溫硬度，與陶瓷刀具相比，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(50HRC以上)、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，其切削速度甚至可提高一個(gè)數(shù)量級。CBN含量高的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。復(fù)合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)，適用于淬硬鋼的切削加工。

　　在切削灰鑄鐵和淬硬鋼的應(yīng)用領(lǐng)域，陶瓷刀具和CBN刀具是可同時(shí)選擇的，因此進(jìn)行成本效益和加工質(zhì)量分析非常必要，以確定哪一種材料更經(jīng)濟(jì)。圖1為Al2O3、Si3N4和CBN刀具加工灰鑄鐵后刀面磨損VB情況，如圖所示，PCBN刀具材料切削性能優(yōu)于Al2O3，和Si3N4淬硬鋼的干式切削加工時(shí)，Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料，陶瓷刀具具有良好的熱化學(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6OHRC以下和小進(jìn)給量情況下的工件時(shí)，陶瓷刀具是較好的選擇。PCBN刀具適合于工件硬度高于60HRC情況，尤其是對于自動(dòng)化加工和高精度加工時(shí)更為重要。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穩(wěn)定。

　　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，在小切探時(shí)也應(yīng)盡可能采用PCBN刀具，因PcBN刀具導(dǎo)熱性差而使得切削區(qū)熱量來不及擴(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。

　　刀片結(jié)構(gòu)及幾何參教確定

　　刀片形狀及幾何參數(shù)的合理確定對充分發(fā)揮刀具切削性能是至關(guān)重要的。按刀具強(qiáng)度來說，各種刀片形狀的刀尖強(qiáng)度從高往低依次為：圓形、1 00°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)盡可能選用強(qiáng)度高的刀片形狀。硬車削刀片也應(yīng)選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑，用圓形及大半徑刀片粗加工，精加工時(shí)的刀尖半徑約為0.8～1.2μm。

　　淬硬鋼切屑為紅而酥軟的鍛帶狀，脆性大，易折斷，不粘結(jié)，一般在切削表面不產(chǎn)生積屑瘤，加工的表面質(zhì)量高，但淬硬鋼切削力比較大，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。

　　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。硬車削精加工的適宜切削速度為80～200m/min，常用范圍為10～150m/min，采用大切深或強(qiáng)烈斷續(xù)功削高硬度材料，切速應(yīng)保持在80～100m/min。一般情況下，切深為0.1～0.3mm。加工表面粗糙度要求高時(shí)可選小的切削探度，但不能太小，要適宜。進(jìn)給量通常可以選擇0.05～0.25mm/r，具休數(shù)值視表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。當(dāng)表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm時(shí)，硬車削比磨削經(jīng)濟(jì)的多。

　　對工藝系統(tǒng)的要求

　　除選擇合理的刀具外，硬車削對車床或車削中心并無特殊要求，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，即可用于淬硬鋼的加工。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夾緊裝置和中等前角刀具。不過人們普遍認(rèn)為，硬車削需要高剛性的車床，即硬車削的關(guān)鍵是機(jī)床具有足夠的剛性，同時(shí)刀具、工件、夾緊裝置結(jié)構(gòu)緊湊目具有同等的剛性。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)，現(xiàn)有的設(shè)備就可以用于硬車削。