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干式切削刀具及其在加工軋輥中的應用

關鍵詞 干式切削刀具|2007-09-26 00:00:00|技術信息|來源 中國超硬材料網
摘要 前言淬硬軋輥的最終加工過去常由磨削加工來完成,而磨削加工不僅效率低,而且所使用的切削液會給環境帶來污染,并影響操作者的身體健康,因此,采用干式切削刀具對淬硬軋輥的硬態干式切削加工已...

  前言
  淬硬軋輥的最終加工過去常由磨削加工來完成,而磨削加工不僅效率低,而且所使用的切削液會給環境帶來污染,并影響操作者的身體健康,因此,采用干式切削刀具對淬硬軋輥的硬態干式切削加工已成為目前研究與應用的熱點。淬硬軋輥的干式切削加工實現了以車代磨,加工效率提高了5~10倍,并可避免環境污染,是一種高效、潔凈的工藝方法,符合綠色制造、清潔生產模式,具有廣泛的應用前景。
  一.干式切削淬硬軋輥刀具
  1.刀具材料及其選用
  a.陶瓷材料
  陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強度(抗彎強度為750~1 000 MPa)、耐磨性好、化學穩定性好、良好的抗粘結性能、摩擦系數低且價格低廉等優點。陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度,1,200℃時硬度達到HRA80。正常使用時,陶瓷刀具耐用度極高,車速可比硬質合金提高2~5倍,特別適合高硬度材料加工、精加工以及高速加工,加工硬度可達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合金有更高的紅硬性,高速切削狀態下切削刃一般不會產生塑性變形,但它的強度和韌性很低,為改善其韌性,提高耐沖擊性能,通常一方面可加入氧化鋯或TiC和TiN的混合物,另一種方法是加入碳化硅晶須。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,它的缺點是在加工鋼時易產生高溫擴散,加劇刀具磨損,氮化硅基陶瓷主要應用于斷續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為主要的硬質相(0.5~2µm),它們通過Co或Ti粘結劑結合起來,是一種與硬質合金相似的刀具,但它具有較低的親和性、良好的摩擦性及較好的耐磨性。它比常規硬質合金能承受更高的切削溫度,但缺乏硬質合金的耐沖擊性、重型加工時的韌性以及低速大進給時的強度。近年來通過大量的研究、改進和采用新的制作工藝,陶瓷材料的抗彎強度和韌性均有了很大的提高,如日本三菱金屬公司開發的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山德維克公司開發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小至1µm以下,抗彎強度和耐磨性均遠高于普通的金屬陶瓷,大大拓寬了陶瓷材料的應用范圍。
  b.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,其耐熱性和化學穩定性稍差,但沖擊強度和抗破碎性能較好。它廣泛適用于淬硬鋼(HRC50以上)、珠光體灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和高溫合金等的切削加工,與硬質合金刀具相比,其切削速度可提高一個數量級。
  CBN含量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好,其缺點是熱穩定性差和化學惰性低,適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工。復合PCBN刀具中CBN顆粒含量較低,采用陶瓷作粘結劑,其硬度較低,但彌補了前一種材料熱穩定性差、化學惰性低的特點,適用淬硬鋼的切削加工。
  使用PCBN刀具干式切削淬硬軋輥還應遵循以下原則:在機床剛性允許條件下盡可能選擇大切深,這樣切削區生成的熱量使得刃前區金屬局部軟化,能有效降低PCBN刀具的磨損,此外在小切深時還應考慮采用PCBN刀具導熱性差而使得切削區熱量來不及擴散,剪切區也能產生明顯的金屬軟化效應,減小切削刃的磨損。
  2.刀片結構及幾何參數確定
  刀片形狀及幾何參數的合理確定對充分發揮刀具切削性能是至關重要的。按刀具強度來說,各種刀片形狀的刀尖強度從高到低依次為: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,應選用強度盡可能高的刀片形狀。
  硬態車削刀片也應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,精加工時的刀尖半徑約為0.8µm。
  淬硬鋼切屑為紅而酥軟的鍛帶狀,脆性大,易折斷,不粘結,一般在切削表面不產生積屑瘤,加工的表面質量高,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,所以刀具宜采用負前角(g0≥-5°)和較大的后角(a0=10~15°),主偏角取決于機床剛性,一般取45~60°,以減少工件和刀具顫振。
  二.干式切削淬硬軋輥切削參數及其對工藝系統的要求
  1.切削參數的選擇
  淬硬軋輥材料硬度越高,其切削速度應越小。使用干式切削刀具進行硬態車削精加工的適宜切削速度范圍為80~200m/min,常用范圍為100~150m/min。采用大切深,或強烈斷續切削時,切削速度應保持在80~100m/min。一般情況下,背吃刀量為0.1~0.3mm之間。加工表面粗糙度要求高時可選小的切削深度,但不能太小,要適宜。進給量通常可以選擇0.05~0.25mm/r之間,具體數值視表面粗糙度數值和生產率要求而定。當表面粗糙度為Ra0.6~0.8µm,采用干式切削刀具進行硬態車削比磨削經濟得多。
  2.對工藝系統的要求
  除選擇合理的刀具外,采用干式切削刀具進行硬車削軋輥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,且加工軟的工件時能得到所要求的精度和表面粗糙度,即可用于硬態切削。由于加工淬硬軋輥時,徑向力很大,這就要求機床功率要大,機床系統剛性要好,這既可保護干式切削刀具,又可獲得滿意的加工效果。為了保證車削操作的平穩和連續,常用的方法是采用剛性夾緊裝置和中等前角刀具。若軋輥在切削力作用下其定位、支承和旋轉可以保持相當平穩,現有的設備就可采用干式切削刀具進行硬車削。
  三.干式切削淬硬軋輥中應注意的問題
  1.干式切削淬硬軋輥不用切削液,因為在切削過程中大量的熱量將由切屑帶走,很少會在工件表面產生熱損傷及熱變形。相反,若使用冷卻液會給刀具壽命和表面質量帶來不利影響。
  2.精車刀片最好選用強度高的方形、圓形刀片,雖然切削力加大,但粗糙度值更小,表面質量更佳。磨鈍以后,轉位換刃即可。也可以選用菱形刀片,刀尖半徑在0.5~1mm之間。
  3.干式切削刀具作低速切削時(如v<50m/min),不但與硬質合金的切削性能相近,而且容易引起工藝系統的振動,使刀具發生崩刃,甚至無法切削。在一定速度范圍內高速切削時,切削溫度的升高,還會改變工件材料的性能,提高干式切削刀具的韌性,從而減少其破損。但是斷續切削時,如果切削速度提高太大,溫差會很大,產生的熱應力也可導致刀具破損。
  4.進給量對刀具破損的影響比切削速度大,選取較小的進給量,有利于防止或減少刀具的破損。因此,對干式切削刀具應選用較小的進給量和盡可能高的切削速度。
  5.裝夾干式切削刀具時,刀具的懸伸長度要盡量短,以防止刀桿顫振和變形,使干式切削刀具保持良好的加工狀態。
  6.對于硬度高和不規則的工件,由于干式切削刀具較脆、怕沖擊。刀具從工件端面切入、切出時,尤其表面有凹凸不平,最易發生沖擊,刃口破裂,使耐用度降低。所以在使用干式切削刀具前,最好在工件切入切出端先倒角,以減小刀具沖擊力。毛坯切入處的倒角,可避免刀具剛接觸工件時,承受過大的沖擊載荷。毛坯切出處的倒角,主要是為避免刀具切離零件時被留下的一圈料邊打壞。
  7.為很好地使用干式切削刀具,穩定地控制工件質量,準確判斷干式切削刀具的耐用度至關重要。如果一直使用磨損已很嚴重的刀具,那么切削力及切削溫度增加、切削不暢,就難以控制工件尺寸及表面完整性,甚至使干式切削刀具無法繼續修磨而報廢。為保證刀具的正常使用,建議干式切削刀具后刀面磨損量達0.3~0.6mm(精車時取小值)時應進行重磨。但重磨需要一定的設備和技巧,多數工廠的機床不具備合適的條件,一般干式切削刀具的重磨都應由專業廠來完成。
 

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