全国技工教育和职业培训

1、2009年全国技工教育和职业培训 优秀教研成果评选活动参评论文 在硬车削加工中超硬刀具的应用在硬车削加工中超硬刀具的应用【摘要】当今世界，数控机床的水平和占有量，已经成为一个国家的制造业水平、工业现代化进程和国家综合竞争力的重要指标。数控加工正逐步取代传统加工，各种高硬度的工程材料越来越多地被采用，而传统的车削技术难以胜任或根本无法实现对某些高硬度材料的加工，我们就要选用硬车削加工方法了。在硬车削中刀具的材质选择是至关重要的，如硬质合金、陶瓷、CBN、人造金刚石等超硬刀具材料因其具有很高的高温硬度、耐磨性和热化学稳定性，这为高硬度材料的切削加工提供了最基本的前提条件，并在生产中取得了明显效益。

2、【关键词】超硬刀具、硬车削、加工超硬刀具采用的材料及其刀具结构和几何参数是实现硬车削的基本要素，因此，如何选择超硬刀具材料，设计出合理的刀具结构和几何参数对稳定实现硬车削是十分重要的。制造业和工业正朝着下列方向发展，追求更低的成本，更高的零件质量，满足多种产品的需求。老旧的加工方法无法满足现在市场的需求，新的加工理念需要我们不断的开拓，高硬度材料的加工用传统的加工是无法高效率完成的，那我们就要选择硬车削加工的方法。什么是硬车削呢？我认为硬车削必须基本具备以下条件：1、单点切削；2、材料硬度在HRC4568；3、加工复杂零件和轮廓；4、部分或全部替代磨削加工；5、表面粗糙度小于0.3，圆度小于0

3、.00025mm,公差带在0.005mm；6、生产率是磨削的46倍；7、被切削的区域温度高达926度。在硬车削中刀具的材质选择是至关重要的，如硬质合金、陶瓷、CBN、人造金刚石等超硬刀具材料因其具有很高的高温硬度、耐磨性和热化学稳定性。下面我就超硬刀具的选用谈谈我的看法。一、 超硬刀具材料及其选用超硬刀具材料可以分类为如下几种：硬质合金（非涂层硬质合金；涂层硬质合金刀片）；金属陶瓷刀片；陶瓷刀片；立方氮化硼CBN刀片；人造金刚石刀片。 1、硬质合金刀涂层硬质合金 在韧性较好的硬质合金刀具上涂覆1层或多层耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al3O2等，涂层的厚度为218m，涂层通常具有比刀

4、具基体和工件材料低得多的热传导系数，减弱了刀具基体的热作用；另一方面能有效地改善切削过程的摩擦和粘附作用，降低切削热的生成。涂层硬质合金刀片分子结构示图如下：TiN涂层，作用：金黄色的TiN便于观察刀片磨损，它很光滑便于减小摩擦力；厚-Al2O3涂层，作用：隔热，保护基体；耐磨；厚的TiCN涂层，作用：粘结性能优异。富钴区，作用：强度、韧性好，支撑刃口又保护基体。含高硬度颗粒的硬质合金基体，能够耐高温抵抗塑性变形。厚-Al2O3涂层 图1- Al2O3 化学涂层- Al2O3 化学涂层，耐磨性好；具有良好强度和耐磨性的硬质合金基体。 MTCVD TiCN-coating 抗机械磨损性优异；富钴

5、区，作用：强度、韧性好，支撑刃口又保护基体； 图2涂层按生成方法可分为物理气相沉积(PVD)与化学气相沉积(CVD)2种。PVD涂层(26m)主要包括TiN、TiCN、TiAlN等，其成分还在不断地增加，如TiZrN。TiN和TiC涂层的最高压力分别可达到3580MPa和3775MPa，TiAlN涂层因缺乏可靠的弹性模量数据而得不到准确的压应力值，高速切削实验结果表明TiAlN性能最好。图3为这3种涂层硬度随温度变化的情况，在室温下硬度最高，当温度超过Y;时，TiAlN涂层的硬度高于TiCN和TiN涂层。图4为加工镍基高温合金Inconel178时用2种切削速度v1=193.5m/min和v2

6、=380m/min条件下的刀具寿命，实验表明TiCN和TiAlN涂层的切削性能明显优于TiN涂层。 图3 图4PVD涂层硬度与温度的关系 加工Inconel178的刀具寿命尽管PVD涂层显示出很多优点，但一些涂层如Al2O3和金刚石则倾于采用CVD涂层技术。Al2O3是一种耐热和抗氧化很强的涂层，它能够将刀具体和切削产生的热量隔离开。通过CVD涂层技术，还可以综合各种涂层优点，以达到最佳的切削效果，满足切削加工的需要。例如TiN具有低摩擦特性，可减少涂层组织的损耗，TiCN可降低后刀面的磨损，TiC涂层硬度较高，Al2O3涂层具有优良的隔热效果等。涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比，无论在强度

7、、硬度和耐磨性方面均有了很大提高。车削硬度在HRC4555的工件，低成本的涂层硬质合金可实现高速车削。近年来，一些厂家应用改进涂层材料等方法，使涂层刀具的性能有了极大的提高。如美、日的一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新涂层专利技术生产的涂层刀片，硬度高达HV45004900，可在498.56m/min的速度时切削硬度HRC4758的模具钢。在车削温度高达15001600°C时仍然硬度不降低、不氧化，刀片寿命为一般涂层刀片的4倍，而成本只有30%，且附着力好。2、金属陶瓷 CERMET 图5 金属陶瓷既不是金属也不是陶瓷, 它是一种钛基硬质合金, TiC 是硬点, Ni是粘结剂.因

8、为TiC和Ni的融解度与普通WC加Co 的硬质合金不同,所以金属陶瓷的比重是钨基硬质合金的一半, 而硬度是它的两倍。它的韧性比钨基硬质合金差, 所以金属陶瓷适于高速精加工软钢类材质或不锈钢，可以获得高一倍的切削速度，好一倍的表面光洁度, 或长一倍的刀具寿命。3、陶瓷材料 陶瓷刀具材料随着其组成结构和压制工艺的不断改进，特别是纳米技术的进展，使得陶瓷刀具的增韧成为可能，在不久的将来，陶瓷可能继高速钢、硬质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(HRA9195)、高强度(抗弯强度为7501000MPa)，耐磨性好，化学稳定性好，抗粘结性能良好，摩擦系数低且价格低廉等优点。不

9、仅如此，陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1200°C时硬度达到HRA80。正常切削时，陶瓷刀具耐用度极高，切削速度可比硬质合金提高25倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可切削硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁等。常用的陶瓷刀具有： 氧化铝基陶瓷（Oxide Ceramics） ； 混合陶瓷（Mixed Ceramics）；氮化硅基陶瓷（Silicon Nitride Ceramics）； 晶须混合陶瓷(Whisker Ceramics) 。（1）、氧化铝基陶瓷刀具比硬质合金有更高的红硬性，高速切削状态下切削刃一般不会产生塑性变形，但它的强度和韧性很低，为改善其韧性，提

10、高耐冲击性能，通常可加入ZrO或TiC和TiN的混合物，另一种方法是加入纯金属或碳化硅晶须。（2）、氮化硅基陶瓷除红硬性高以外，还具有良好的韧性，与氧化铝基陶瓷相比，它的缺点是在加工钢时易产生高温扩散，加剧刀具磨损，氮化硅基陶瓷主要应用于断续车削灰铸铁及铣削灰铸铁。（3）、金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料，其中TiC为主要的硬质相(0.52m)，它们通过Co或Ti粘结剂结合起来，是一种与硬质合金相似的刀具，但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性。它比常规硬质合金能承受更高的切削温度，但缺乏硬质合金的耐冲击性、强力切削时的韧性以及低速大进给时的强度。近年通过大量的研究、改进和采用新的制

11、作工艺，其抗弯强度和韧性均有了很大提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1m以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了其应用范围。陶瓷车削尽量采用圆刀片，因为它有很多优点，尤其是刻痕磨损小。当刻痕磨损达到极限而后刀面磨损并不严重时，如图6 A所示转位，若两种磨损均达到极限时如图6 B所示转位。 图6当工件硬度超过HRC45时，陶瓷刀片是首选。车削铸铁刹车盘时，用纯陶瓷刀片。陶瓷刀片车削大的刀尖角和小主偏角是很理想的。在切入工件时，大的主偏角很容易使突然的切削力致使刀刃崩碎

12、。这时应在工件端进行预倒角。当工件预倒角也不可能时，车刀切入时应编程走一个圆弧。多刀车削外圆时，走斜坡代替走直线，或者非等深车削。 当车一个台肩时，应选用四方或80°菱形刀片，按图7所示完成。 图7优化建议：A、车前用硬质合金刀片倒角。B、使用圆刀片或小主偏角，特别是粗车。C、精车时使用S型刀片，85°主偏角径向切削力低。D、编程时尽量避免车削时突变切削力。E、粗车余量不均匀时，使用硬质合金做第一遍粗车。F、精车时可使用C型刀片，特别对于铸铁加工，加工沟槽也很适合陶瓷刀片。G、干切为首选，特别有间断切削时，若加冷却液要绝对充分。稳定。陶瓷切削刀具材料相互之间比较时，韧性，硬

13、度，耐热裂纹性，耐热冲击性和化学稳定性都有很大的不同。高速加工灰铸铁时，氮化硅陶瓷是优良的选择，在轻载静载加工中，混合陶瓷或氧化物陶瓷能提高生产效率。4、立方氮化硼(CBN)  CBN的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(HRC50)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度可提高一个数量级。CBN含量高的复合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加

14、工。PCBN刀具中CBN颗粒含量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点，适用淬硬钢的切削加工。 图8 图9切削灰铸铁时VB与切削时间的关系 陶瓷和PCBN刀具切削淬硬钢的残余应力 在切削灰铸铁和淬硬钢时，可选择陶瓷刀具或CBN刀具，为此，应进行成本效益和加工质量分析，以确定选择哪一种。图8为Al2O3、Si3N4和CBN刀具加工灰铸铁后刀面磨损情况，如图9所示，PCBN刀具材料切削性能优于Al2O3和Si3N4。但在淬硬钢干式切削时，Al2O3陶瓷的成本低于PCBN材料。陶瓷刀具有良好的热化学稳定性，但却不及PCBN刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于H

15、RC60以下和采用小进给量时，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适于切削硬度高于HRC60的工件，尤其在自动化加工和高精度加工时更为适用。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，PCBN刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定，如图9所示。使用PCBN刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低PCBN刀具的磨损，此外，在小切深时还应考虑采用PCBN刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。二. 超硬刀具的刀片结构及几何参数1、刀片形状 刀片形状及几何参数的合

16、理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度而言，各种刀片形状的刀尖强度从高到低依次为：圆形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、55°平行四方形、35°菱形。具体形状可看图10： 图102、刀片后角基本角度有以下几种： 图113、刀尖圆弧半径刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大刀尖圆弧半径刀片粗加工，精加工时的刀尖圆弧半径约为0.8m左右。刀尖圆弧常用参数看图12： 图125、刀片前角淬硬钢切屑为红而酥软的缎带状，脆性大，易折断，不粘结，淬硬钢切削表面质量高，一般不产生积屑瘤，但

17、切削力较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以，刀具宜采用负前角(go-5°)和较大的后角(ao=10°15°)。主偏角取决于机床刚性，一般取45°60°，以减少工件和刀具颤振。三、超硬刀具切削参数及对工艺系统的要求1.切削参数的选择工件材料硬度越高，其切削速度应越小。使用超硬刀具进行硬车削精加工的适宜切削速度范围为80200m/min，常用范围为10150m/min；采用大切深或强力断续切削高硬度材料，切速应保持在80100m/min。一般情况下，切深为0.10.3mm之间。加工表面粗糙度低的工件，可选小的切削深度，但不能太小，要适宜。进

18、给量通常可以选择0.050.25mm/r之间，具体数值视表面粗糙度值和生产率要求而定。当表面粗糙度Ra=0.30.4m时，采用超硬刀具进行硬车削比用磨削经济得多。2.对工艺系统的要求   除选择合理的刀具外，采用超硬刀具进行硬车削对车床或车削中心并无特殊要求，若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于硬切削。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。四、超硬刀具在硬车削中的应用在硬车削中的应用采用超硬刀具进行硬车削，此项技术经过十几年的发展及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面以轧辊加工等行业

19、为例，说明超硬刀具在生产中的推广应用情况。1.轧辊加工行业国内许多大型轧辊企业已使用超硬刀具对冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车，均取得了良好的效益7平均提高加工效率26倍，节约加工工时和电力50%80%。如武汉钢铁公司轧辊厂对硬度为HS6080的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时，切削速度提高了3倍，每车1根轧辊，节约电力、工时费四百多元，节约刀具费近一百元，取得了巨大的经济效益。如我校用FD22金属陶瓷刀具车削HRC5863的86CrMoV7淬硬钢轧辊时(Vc=60m/min，f=0.2mm/r，ap=0.8mm)，单刃连续切削轧辊路径达15000m(刀尖后刀面磨损带的最大宽度VBmax=0.2mm)，满足了以车代磨的要求。2.工业泵加工行业目前国内碴浆泵生产厂的70%80%已采用超硬刀具。碴浆泵广泛应用于矿山、电力等行业，是国内外急需的产品，其护套、护板是HRC6367的Cr15Mo3高硬铸铁件。过去由于各种刀具难以车削这种材料，所以只得采用退火软化后粗加工