硬质合金切削（共7篇）
硬质合金切削 篇1
0 引言
黄铜根据合金元素成分不同可分为普通黄铜和特殊黄铜。铅黄铜作为特殊黄铜的一种,因具有冷热加工性好、切削性好和耐腐性高等特点,被广泛应用于电子、钟表、汽车、电器等领域[1]。但是研究表明[2],铅对人体神经系统、造血器官和肾脏损害较大,特别是对儿童的生长发育影响很大。因此,新型环保易切削铜合金材料已成为研究和开发的热点[3,4,5,6]。
1 铅黄铜易切削机理分析[7,8]
根据Cu-Pb二元合金相图可知,铅在黄铜中的溶解度极低,主要以细小的独立相弥散分布在黄铜合金基体上。铅质点较软,且呈游离态分布,在加工过程中既可起到润滑作用,又可使切屑易碎,因此铅能有效改善黄铜的机械加工性能,提高工件表面光洁度。由此可知,基体上弥散均匀分布着起断屑作用的细小质点是铅黄铜切削性能优良的根本原因。
2 环保易切削铜合金的设计原则[1,7,8,9,10]
依据铅黄铜易切削机理,新型环保铜合金基体上也应存在细小弥散分布的质点,并起到与铅质点类似的润滑作用和断屑作用。能够替代铅元素并能够提高铜合金切削性能且不显著降低其他性能的合金元素,按其在铜中的存在形式可分为三类[11]:第1类是与铜微量固溶并形成共晶的元素,如铋、硒和碲等;第2类是与铜互不固溶并形成化合物的元素,如硫和氧等;第3类是与铜部分固溶也形成化合物的元素,如硅、磷、锑和镁等。
3 合金元素在环保易切削铜合金中的作用
3.1 铋[3,4,11,12,13]
铋是一种可安全使用的“绿色”金属元素,与铅在元素周期表中处于相邻位置,其在铜中的溶解度与铅接近,在铜合金中也以细小弥散分布的独立相存在,因此是替代铅的最佳选择。但是,铋本身性脆,其熔点(271.4℃)比铅(327.5℃)低,液态铋表面张力(0.35N/m)也比液态铅(0.45N/m)小,凝固时铋在合金晶界处偏析并呈网状或薄膜状分布,使铜合金更易产生冷脆和热脆现象。因此,在铜合金中单独添加铋,会降低铜合金的冷热加工性能和塑性,必须采取一定的措施来改变铋在铜合金中的析出形态和分布状态。通常添加硒、锡、磷、稀土等元素来改变铋在铜合金中的存在形态。随着铋含量的增加,铜合金的切削性能逐步提高,但加工性能有所下降,因此铋含量一般应控制在0.6wt%~1.2wt%之间。
3.2 硒[9,11]
硒的熔点较低(220℃),沸点也较低(695℃),化学性质活泼,在熔炼过程中损耗大,因此硒只能以铜硒或铋硒中间合金的形式加入铜合金熔体中。由于硒加入后可以提高液态铋的表面张力,从而有助于铋黄铜熔体凝固时铋以块状或球状而不是以网状或膜状分布在基体晶界上,进而改善合金的加工性能和切削性能。
3.3 碲[9,14,15,16]
碲不溶于铜合金,在基体中以第二相形式弥散分布与晶间或晶内,且形成的第二相与铅质点相似,也很软,断屑效果明显,从而提高材料的切削性能,硒、碲价格昂贵,铜合金中加入量不宜过大。
3.4 硫和氧[10,11]
熔炼时,硫和氧分别于铜发生反应生成Cu2S和Cu2O。虽然Cu2S和Cu2O对铜合金的切削性能有益,但对加工性能和使用性能等其他性能相当有害,故硫和氧应当被当做有害杂质而严加控制。
3.5 硅[5,8,17]
硅元素可以改变铜合金中α和β相区的比例。熔炼时加入硅可使铜合金中较软的α相区缩小,强度和硬度较大、塑性较好的β相区增大,因此铜合金熔炼时加入硅可以提高合金的强度和硬度,同时保证其具有较好的塑性。当合金中硅含量低于0.1wt%时,效果不明显。只有加入适量的硅才能提高铜合金的切削性能。当加入的硅含量超过1wt%并添加一定的变质剂时,可得到β+γ两相合金,硬而脆的γ相呈细粒状弥散分布于β相基体中。研究发现,在结晶过程中由于二者的收缩率不同,β相和γ相之间出现了很小的间隙空间。可以认为,在β基体上存在的诸多微小空洞起到了断屑效果。此外,硅还可以改善铜合金的耐蚀性能和焊接性能。
3.6 磷[17]
磷是成效显著、成本低廉的脱氧剂;在熔炼过程中可以改善熔体的流动性;与杂质元素形成化合物,强化晶界并使化合物脆化相更加细小均匀地分布在晶界上;可以抑制脱锌、增强耐腐蚀性能和抗应力作用,同时提高合金的切削性能和强度。因此,加入适量的磷,能够在一定程度上提高铜合金熔体的流动性,抑制脱锌,改善铜合金材料的焊接性能和耐腐蚀性能。
3.7 锑[18,19]
锑与铋类似,本身性脆。但与铋不同的是,锑部分固溶于铜,并与铜形成脆而不硬的金属间化合物。通过一定的热处理手段,使金属间化合物弥散分布于铜合金基体上,就有可能在不影响铜合金加工性能的前提下,改善其切削性能。研究表明,均匀化热处理可以使金属间化合物弥散分布在铜合金基体上及相界面处。这种铜合金综合力学性能优异,切削性能极好。
3.8 镁[20,21]
与锑类似,镁部分固溶于铜,并与铜形成金属间化合物。镁铜金属间化合物具有脆而不硬的特点。研究表明,镁在铜合金α相和β相中的固溶度非常小,固溶强化作用不明显;脆而不硬的镁铜金属间化合物分布于晶内和晶界处。镁在铜合金中的分布特征对切削时发生断屑非常有利,从而减小碎屑的尺寸和连续性,进而改善铜合金的切削性能。镁资源丰富,价格较便宜,在环保和成本方面比铋、锑更具有优势。
3.9 石墨[22,23,24]
石墨是一种优良的固体润滑剂,质软,强度较差,在切削加工过程中,通过暴露出来的新生表面形成润滑膜,减少刀头的磨损,从而改善工件的表面质量。因此,含有一定粒度分散的石墨粉的铜合金通常具有良好的切削性能。研究结果表明,在铜合金中添加一定粒度分散的石墨粉,其切屑尺寸小,切削性能大致与铅黄铜相当,但强度等力学性能较差。
3.1 0 铝[25,26,27]
熔炼时加入少量的铝可以使黄铜合金的α相区缩小,β相区增加,同时形成γ相区,进而提高铜合金的强度和硬度,但会降低塑性;γ相越多,合金的切削力越大,切削性能越差。铝能够在铜合金表面形成一层Al2O3钝化膜,降低铜合金的腐蚀速率,提高其抗蚀性能和表面质量。熔炼时铝可以减少锌的蒸发,浇注时铝可以提高合金的流动性。研究表明,铝与铋一起添加时,铝可以改变铋的润湿性,促使薄膜状的铋减少,并使组织更加细化,同时可以提高合金的耐蚀性能。
3.1 1 锡[28]
研究表明,在黄铜中加入1wt%的锡,可以大幅提高合金的力学性能和抗腐蚀性能,但加入过多的锡会降低合金的塑性,同时对合金的抗脱锌和抗耐腐蚀性能起不到抑制作用。在α相黄铜中,锡可以形成一层钝化膜对脱锌起到减缓作用;在α+β两相黄铜中,锡起到惰性气体的作用,延缓锌的选择性溶解。
3.1 2 钙[29]
钙是易切削元素,经过合金化处理后,以无毒且有利于健康的金属化物聚集于晶界处,使合金材料具有良好的切削性能。研究表明,钙在合金中含量低于0.004wt%时,易切削性能较差;当含量大于0.25wt%时,易切削性能优于铅黄铜,但铸造结晶疏松,易出现夹杂影响材料的气密性,并使其力学性能急剧降低。
3.1 3 镍[30]
镍与铜可以无限固溶。加入适量镍,可以使两相黄铜转变为单相黄铜,在一定程度上改善合金的微观组织、力学性能和加工性能,同时可在合金表面形成一层良好的防腐蚀层,提高合金的耐腐蚀性和脱锌性。
3.1 4 稀土[31,32]
稀土在黄铜合金中具有除气去杂、净化金属、细化晶粒和使合金组织致密的作用。研究表明,一定量的混合稀土与铋一同添加时,稀土可以影响铋在合金中的润湿效应,从而减少薄膜状单质铋在晶界处偏聚。当混合稀土含量为0.1wt%时,合金综合力学性能最佳。
3.1 5 铁[26]
铁在黄铜合金中溶解度较低,超过一定量时会析出富铁化合物。研究表明,铁对黄铜合金的切削性能没有直接影响,但是富铁相Fe Zn的微观晶粒组织比加铁前合金的晶粒更加粗大,使得合金的强度、塑性以及耐蚀性降低。
3.16锰[33]
研究表明,锰与铋一起添加时,锰可以减少薄膜状铋单质的存在,进而改善铜合金的耐腐蚀性能。
3.17钛[34]
钛是细化晶粒的元素。研究表明,当少量钛与铋一起添加时,钛与铋会发生反应生成中间相,减少铋在晶界处的分布数量,从而提高合金的力学性能,特别是塑性。
4 结论
从各类环保易切削铜合金的研究进展来看,在今后一段时间内,新型环保易切削铜合金的微合金化研究将是热门方向之一。微合金化即以一两种元素为主要添加成份,同时加入数种其他微量合金元素,充分发挥协同效应,在一定程度上改善合金的切削性能、冷热加工性能、综合力学性能和耐腐蚀性能。
摘要：随着世界各国对环保要求越来越高,新型环保易切削铜合金的开发已成为研究热点之一。本文根据铅黄铜的易切削机理和环保易切削铜合金的设计原则,深入分析了不同合金元素在环保易切削铜合金中的作用,并展望了未来环保易切削铜合金的发展方向。
关键词：黄铜,合金元素,环保,易切削,微合金化
硬质合金切削 篇2
钛合金在航空航天工业和其他工业部门有着广泛的应用前景。随着科学技术的不断进步和我国国民经济的快速发展，作为“崛起的第三代金属”钛工业必将大有作为。
航空航天用钛合金的特点及应用
作为航空航天领域不断兴起的材料，钛合金有以下优势[1-3]：
（1）比强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686~1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。
（2）高温性能优良。钛合金在高温下仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。
（3）抗腐蚀性强。在550℃以下的空气中，钛表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，其耐蚀性优于大多数不锈钢。
在航空工业领域，钛合金主要用于制造喷气发动机的压气机盘、涡轮盘、叶片、机匣等，以及诸如大型主起落架支撑梁、机身后段及转向梁等结构件[4]。因钛合金具有比强度高和耐高温特点，用于制造飞机发动机和机体能够有效地提高发动机推重比和机体机构效率，有利于缓解热障现象[5]。近年来军用飞机上所用钛合金材料的比例正在不断增加[6]，钛合金材料的应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志之一。美国第四代战斗机的F-22 的机体主要承力材料大量采用钛64（Ti-6Al-4V），约占机身总质量的36%，钛62222 主要用于发动机周围蒙皮机构及发动机框架，约占机身总质量的3%[7]。在民用飞机方面，钛合金的应用也较为广泛。在波音777 上大约采用了11%的钛结构，其平面钛箔的用量将达到12247kg[8]。在航天工业领域，钛合金主要用于制造耐高温和低温零件[9]。如上海钢铁研究所的7715D 用于DFH-3 卫星的FY-25 型远地点发动机喷注器；俄罗斯的BT37 合金广泛应用于宇航工业形状复杂的低温管路系统。
航空航天用钛合金的切削加工现状
航空航天用钛合金零部件主要有两类。一类是复杂曲面，如叶轮、涡轮盘和叶片等，实际生产中采用多轴数控加工。图1 中采用多轴铣削加工的钛合金涡轮即为复杂曲面。另一类是薄壁框型件，如大型框、梁和壁板等多采用铣削加工。图2 中采用立铣加工的钛合金壁板是典型的薄壁框型件。上述两种工件的加工都必须从整块坯料中去除大量的材料，而钛合金的切削加工性较差，其工件的加工成本占工件总成本的比重很大。切削加工困难是导致钛合金零件价格高昂的重要因素。钛合金的切削加工性
钛合金是典型的难加工材料，其加工特性表现如下[10-11]：
（1）钛合金的导热性差，是不良导热体金属材料。切削加工时，切屑与前刀面的接触面积很小，特别容易引起薄壁件的热变形。
（2）钛合金弹性模量低，弹性变形大。切削时接近后刀面处工件的回弹量大，导致已加工表面与后刀面的接触面积特别大，造成加工件几何形状和精度差、表面粗糙度增大、刀具磨损增加。
（3）钛合金的亲和性大、切削温度高。切削时，钛屑及被切表层与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象，容易引起刀具强烈的粘结磨损。钛合金的高温化学活性强，在600℃以上时，与氧、氮产生间隙固溶。吸收气体后钛合金表面的硬度明显上升，对刀具有强烈的磨损作用。
目前，我国的钛合金切削加工效率还比较低，生产中应用最多的硬质合金刀具推荐的切削速度在30~50m/min，与国外相比还存在很大差距。目前的钛合金切削加工工艺
现有的钛合金切削加工方式主要是车削和铣削。钛合金车削加工时易获得较好的表面粗糙度，加工硬化不严重，但切削温度高，刀具磨损快。钛合金的铣削加工比车削加工困难。因为铣削是断续切削，并且切屑易与刀刃发生粘结，当粘屑的刀齿再次切入工件时，粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料，形成崩刃，极大地降低了刀具的耐用度。
在加工钛合金时，通常选择较小的前角，以增大切屑与前刀面的长度；选择较大的后角，以减小后刀面与加工表面之间的摩擦。为了降低切削温度，通常选用较小的切削速度和较大的切深，并使用切削液。切削速度过小导致材料去除率低下，增加了钛合金加工成本；较大的切深导致切削力增大，影响钛合金工件尤其是薄壁件的质量；切削液的使用增加了加工成本，造成环境污染，不符合绿色切削的要求。
目前，我国的钛合金加工缺乏有效的工艺数据库支持。在具体工艺安排和切削用量选择上，往往凭经验和“试切”来确定工艺参数。此外，我国刀具和切削液的国产化程度还比较低，制约了钛合金切削加工水平的提高。
钛合金切削加工的发展趋势
随着航空工业的发展，钛合金将逐步取代铝合金，成为航空工业的主要材料。未来的钛合金切削加工将主要面向3 个方向：
（1）大幅提高单位时间内的材料去除量，实现高效加工；
（2）研发新型刀具，延长刀具使用寿命；
（3）减少切削液的使用，达到绿色切削。钛合金高速切削
高速切削能大幅提高钛合金加工效率，并保证零件加工质量。钛合金的高速槽铣和周铣实践证明，高速切削不仅能提高加工效率，还能有效提高被加工表面的质量[12-14]。
钛合金高速切削具有以下优势：
（1）温升少，工件热变形小。高速切削虽然产热量多，但由于切屑从工件上切离的速度快，90% 以上的切削热被切屑带走，传给工件的热量很小，工件积累热量极少，这对于减少钛合金热变形有重要意义。
（2）切削力低。切削速度高使得剪切变形区变窄，剪切角增大，变形系数减小和切屑流出速度快，从而使切削变形减小，切削力比常规切削力低30%~90%, 特别适合于加工刚性差的航空用钛合金薄壁件。
（3）材料切除率高，加工表面质量好。高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5~10 倍，这样单位时间内材料的切除量可提高3~5 倍。另外随着切削速度的提高，切屑可以被很快切离工件，故残留在工件表面上的应力很小。由于切削点温度的升高工件表面鳞刺的高度会显著降低甚至完全消失。
钛合金高速切削也面临着很多技术难题。高速导致加工表面温度急剧升高，由于钛合金导热性差，如不采取有效的降温措施，会使得钛合金和空气中元素发生化学反应，形成硬化层。高温烧蚀和切削力的增大造成刀具急剧磨损，使得加工不能持续。钛合金切削加工的高性能刀具
大量的研究结果[15-17] 表明：刀具的快速磨损是制约钛合金高速切削加工的最主要因素。因而，要想提高钛合金加工和应用水平，必须研发适用于钛合金的高性能刀具。刀具材料方面，应具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能和高的可靠性。
硬质合金刀具的价格相对低廉，是目前使用最多的钛合金切削刀具，常用刀具有YG6、YG8 等。但是在以往的研究和生产实践中，通常不采用YT 类刀具，因为含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲合，使得粘结磨损严重。但是对刀具磨损的研究表明，钛合金在低速铣削时的刀具磨损机理为粘结撕裂磨损，在高速铣削时以扩散磨损为主[18]。而含钛类刀具可有效抑制扩散磨损。因此，低速段使用的YG 类硬质合金刀具不适合钛合金高速切削，而YT 类刀具将是新的研究方向。
PCD 刀具的性能很适宜于加工钛合金[19] ：（1）良好的导热性。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5~9倍。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易从刀具散出，故切削区温度低，这对于克服钛合金导热性差的问题有重要意义。（2）较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍约为高速钢的1/10，在高温下，能够更好地保证钛合金工件的加工质量。（3）极高的硬度和耐磨性。金刚石刀具在加工高硬度材料时耐用度为硬质合金刀具10~100 倍甚至高达几百倍。使用金刚石刀具切削钛合金，能够有效延长刀具使用寿命。Mori 等[20] 采用新型PCD 刀具在高速切削钛合金时获得了较好的切削效果。但是Balkrishna Rao 等[21]的研究结果表明，金刚石刀具的磨损形式表现为剥落和沟槽磨损，不能实现高速切削。
在刀具结构方面，Komanduri 与Reed[22] 设计了一种可提高刀具寿命的新型刀夹，该刀夹可获得较大的刀具后角和负前角；Shuting Le 等[23] 研究了可转位刀具在高速车削Ti6Al4V钛合金过程中的应用状况，在高速切削状态下，可转位刀具的寿命比固定位刀具的寿命增长了37 倍。钛合金绿色切削
传统的钛合金切削使用大量的冷却液，增加了制造成本，造成了环境污染，还会损害工人的身体健康[24]。绿色切削可有效解决由切削液引起的各类问题。目前国内外对绿色加工的研究主要有绿色切削技术和绿色冷却技术。
绿色切削技术包括：干式切削、准干式切削、低温切削和绿色湿式切削[25-26]。
干式切削可完全消除使用切削液导致的一系列负面影响[25]，由于摩擦使工件和刀具的温度升高，导致刀具磨损加快，工件产生残留应力，同时会使得刀具和工件发生热变形，表面质量降低，因而不适用于航空航天用钛合金的加工。准干式切削又称MQL（Minimal Quantity Lubrication）极微量润滑技术，它是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并雾化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑。MQL 可以大大减少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用。使用的润滑液很少，而效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染，是钛合金切削加工的有效途径。低温切削能够提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量，非常适用于钛合金加工。林肯大学的Z.Y.Wang [27] 的研究结果表明，在超低温加工状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，提高了刀具寿命，保证了切削效率和加工质量。
绿色冷却技术是实现绿色加工的关键，主要包括：液氮冷却、蒸汽冷却、低温气体射流冷却以及喷雾射流冷却等。
液氮冷却采用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工，是目前主要的低温加工手段。低温气体射流冷却是采用-10~-100℃的冷风强烈冲刷加工区的一种冷却方式。试验证明，该方式可以显著均匀地降低加工区、刀具及工件的温度，有效地抑制刀具磨损，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工质量和提高零件加工精度[28-29]。由于液氮冷却切屑收集困难，纯气体冷却时刀具没有得到润滑等问题，制约了此种冷却方式的推广。有学者在此种方法基础上提出了钛合金低温喷雾射流冷却加工[30]。低温喷雾射流冷却加工兼备了低温、射流冲击、充分汽化和使用最绿色的空气等几个要素。
结束语
硬质合金切削 篇3
硬质合金与结构钢的焊接, 不能用于高精度 (要求同轴度0.02以内) 回转类刃具的刀杆与刀刃部分对接使用, 通过此论文说明一下高精度回转类刃具的刀杆与刀刃的钎焊工艺过程及后期试验结果。
2 硬质合金与结构钢的钎焊
下面分几个方面调研硬质合金与结构钢对接:
2.1 硬质合金的焊接特点:
硬质合金主要用于制造刀具、量具等双金属结构。这类工件在工作时受到相当大的应力作用, 特别是压缩弯曲、冲击和交变载荷, 要求接头强度高、质量可靠。硬质合金有高硬度和耐磨性好的特点, 但是存在脆性高、韧性差等缺点。
2.2 基体材料的选择和槽型设计
2.2.1 基体材料的选择:
硬质合金通常与基体材料连接在一起使用, 基体材料的选择主要考虑硬质合金使用时所受载荷的大小。
2.2.2 槽型设计:
钢与硬质合金刀具钎焊质量的好坏还决定于刀槽形状的设计是否合理。硬质合金槽型的设计是否合理。硬质合金槽形设计原则如下:
1) 尽量减少钎焊面;2) 焊接前采用凸台、凹槽等部位定位;3) 设计槽型时应考虑在钎焊过程中便于排渣;4) 钎焊后刀头部分不应黏附过多的焊料。
2.3 硬质合金与钢的钎焊
2.3.1 钎焊方法:
本次试验选择了氧气-乙炔火焰钎焊、高频感应钎焊两种焊接方式进行刀具的焊接, 并设计专用夹具完成焊接过程, 以达到设计需求。
2.3.2 硬质合金钎料与钎剂
1) 钎料的选择: (1) 钎料有流动性与渗透性; (2) 钎料常温下有足够硬度; (3) 钎料熔点要低, 但钎料的熔点要高于焊缝的工作温度300℃, 保证正常切削。本次选用钎料为H62、银焊条。2) 钎剂的选择:钎剂的作用是使刀杆和钎焊表面的氧化物还原, 有好的流动性和较低的黏度。
2.3.3 硬质合金与钢的钎焊工艺:
1) 焊前准备: (1) 焊前检查硬质合金裂纹、弯曲等缺陷; (2) 对硬质合金喷砂处理去除钎焊表面氧化层和黑色字母, 防止脱焊;2) 钎焊过程: (1) 焊接硬质合金工具时均匀加热刀杆和刀头保证焊接质量; (2) 钎焊后冷却硬质合金片表面产生瞬时拉应力。采用低温回火处理能消除部分钎焊应力, 减小裂纹; (3) 焊后清理:要对焊好的硬质合金工件进行焊后清理。3) 钎焊的质量检验:焊缝检测方法: (1) 刀具经喷砂处理后, 用煤油清洗, 用肉眼和放大镜观察。有裂纹时有明显黑线; (2) 用65%煤油、30%的变压器油及5%的松节油调成溶液, 加入少量苏丹红, 将检查的刃具放入该溶液中浸泡10-15min, 取出用清水洗净, 涂上高岭土, 烘干后检查表面, 如果有裂纹, 溶液的颜色将在白土显示出来, 肉眼可查。
3 硬质合金与结构钢钎焊刀具切削试验及数据分析
3.1 本次试验中制造的3把刀具的试验方法及试验数据进行介绍:
No.1刀杆材料40Grφ10;刀头材料X30φ9.8;焊料铜H62;焊缝扭曲大焊缝分布不均匀。
No.2刀杆材料40Grφ10;刀头材料X30φ9.8;焊料银焊条;焊缝扭曲小焊缝分布不均匀。
No.3刀杆材料40Grφ10;刀头材料X30φ9.8;焊料银焊条;焊缝无扭曲焊缝分布均匀。
3.2 刀具试验情况
No.1试验设备X52K;加工材料T8A;转速950转/分;切深8mm;加工1件后刀具断裂。
No.2试验设备X52K;加工材料T8A;转速950转/分;切深8mm;加工3件后刀具断裂。
No.3试验设备X52K;加工材料T8A;转速950转/分;切深4mm;加工1件后刀具正常。
No.3试验设备VH1100;加工材料Cr WMn;转速4200转/分;切深0.3mm;加工1件后刀具正常。
通过以上刀具试验数据的表现及断口部位的观察有如下发现:
3.2.1 铜焊刀具由于焊料熔点较高, 焊接质量差, 焊后焊缝扭曲较大、焊缝分布不均匀, 刀具破坏后焊接部位有较多的气泡, 大部分部位虚焊, 侵润不足, 焊料层较厚。加工过程中刀具在沿径向进刀过程中刀具受较大的径向力断裂。
3.2.2 银焊刀具由于焊料熔点较低, 焊接质量较好, 焊后焊缝扭曲一般、焊缝分布不均匀, 刀具破坏后焊接部位有两侧部位虚焊, 侵润不足, 焊料层厚。加工过程中刀具在沿径向进刀过程中刀具受较大的径向力断裂。
3.2.3 银焊刀具由于焊料熔点较低, 焊接质量较好, 焊后焊缝无扭曲、焊缝分布均匀。加工过程中刀具在沿径向进刀过程中刀具受较大的径向力没有断裂, 后又在数控铣上试验, 试验中按0.2mm、0.3mm分别进行加工, 加工中刀具尾柄刚性较差, 加工表面端刃部位刀花较深, 侧刃部位较为光滑。
3.3 试验数据分析:
通过上述试验数据的整理, 从中看出虽然可以焊接刀具毛料并能够制造成刀具, 我们的焊接工艺不成熟导致焊后焊缝扭曲较大、焊缝分布不均匀、虚焊, 侵润不足等焊接质量不稳定的现象。在焊接刀具的使用中也有较大的问题, 在普通铣X52K上使用时, 转速较慢、切深较大, 导致刀具径向受力很大, 而刀具焊口位置受径向力影响较大, 所以证明如果结合处焊接面积较小的情况下, 这类焊接刀具不适合在普通铣上应用。在数控铣上应用效果相对较好, 由于刀具受轴向力较大而径向力较小的情况下刀具刀杆刚性不足的情况就明显的反应出来, 在刀具端刃成面的质量受刀杆震动的影响表现为震纹较深, 侧刃情况好些, 但也有震纹的存在。
结语
通过此项目达到硬质合金与结构钢钎焊刀杆的现场应用, 能够更好利用现有设备、人员完成此项目所要求工艺过程。
参考文献
[1]朱警雷, 黄继华, 张华, 赵兴科.硬质合金与钢异种金属焊接的研究进展[J].焊接, 2008 (02) .
[2]吕鹏, 刘庆梅.刃具硬质合金与结构钢钎焊工艺研究中国新技术新产品, 2012, 19.
钛合金切削的刀具问题及对策 篇4
但是,由于钛合金物理、化学和机械性能的相互影响造成加工难度大、切削效率低、刀具寿命短,使它成为一种典型的难加工材料,严重影响了它的广泛应用。
1 钛合金的切削加工性分析
分析钛合金切削加工性比较差的表现及原因,主要有以下几个方面:
(1)变形系数小,接触应力大。钛合金塑性小,切削变形系数小于或接近于1,是普通碳钢的1/3,特别是在高温下和周围气体发生化学反应后,塑性降低,硬度增高,剪切角增大,使切屑与前刀面接触长度很小(只为钢的1/3~1/4),前刀面上刀尖和切削刃处应力很大,容易发生磨损甚至破损。刀尖和切削刃应力大是钛合金切削的一个显著特点。
(2)导热系数小,切削温度高。由于钛合金的导热系数很小,分别是45钢的1/5~1/7和铝的1/16,比不锈钢和高温合金的导热系数还低,加之切屑与刀具的接触面积很小,切削热集中且不易传散,致使切削温度很高,在相同条件下,比加工45钢时高出一倍以上。切削温度高是钛合金加工的又一显著特点,不仅容易造成工件灼伤,还会导致表面氧化形成硬化层和刀具材料的软化而加快刀具磨损。
(3)弹性模量小,弹性恢复大。钛合金的弹性模量大约为钢的1/2,切削时易产生大的切削变形和弹性恢复,使工件加工表面和刀具后刀面之间的接触面积增大,进而增大了径向切削力,不但使后刀面上刀具磨损严重,还造成工件弯曲变形,引起振动,影响加工精度。
(4)化学活性大,硬化倾向强。钛合金在600℃以上高温时易与空气中的氧、氮、氢等发生强烈的化学反应,生成厚度为0.1~0.15mm的Ti O2、TiN等硬脆层,同时切削时的塑性变形也会造成表面硬化,对刀具有强烈的磨损作用。
(5)摩擦系数大,摩擦速度高。钛合金与刀具材料间的摩擦系数大于碳钢的,变形系数又特别小,切屑沿前刀面的摩擦速度高,加之在300℃以上高温下极易与刀具材料“亲和”而产生粘刀现象,使刀具易磨损,寿命低。
钛合金切削的这些特点使得对其加工十分困难,加工效率低,刀具损耗大,对工艺系统要求高。
2 钛合金切削的刀具问题
解决钛合金切削加工性差的问题,必须从刀具、机床、夹具、切削用量等方面综合考虑,其中刀具问题尤为重要,是钛合金切削的主要矛盾。
根据对钛合金切削加工性的分析,不难发现钛合金切削时切削力、切削热、刀具磨损方面存在的问题很有特点,矛盾很突出:虽然相同条件下钛合金的切削力比45钢小很多,但由于切屑和前刀面接触长度很短,加上硬化倾向和高速摩擦使刀尖和切削刃上应力十分集中;材料导热性差、摩擦严重又造成刀尖和切削刃上切削热十分集中,切削温度很高;刀具磨损十分严重且磨损原因多样化:强烈摩擦造成磨料磨损,应力集中和高温造成粘结磨损(冷焊磨损),高温下刀具材料和钛合金双方化学元素在固态下的相互扩散造成扩散磨损,高温还使刀具材料与周围介质发生化学反应造成化学磨损。多种磨损原因迭加作用的结果使钛合金切削时刀具磨损强度很大:不均匀外皮、加工表面的硬脆层和高弹性恢复使刀具后刀面磨损十分严重,刀具耐用度很低;高温、高压和摩擦使前刀面上极容易产生月牙洼磨损,月牙洼又会很快扩展进而导致刀具的破损。所以,加工钛合金时刀具磨损强烈、消耗大、耐用度低,直接影响加工质量和加工效率。
3 解决刀具问题的对策
与大多数金属材料相比,钛合金加工确实困难。这个困难某种意义上是由于钛合金加工属于新兴加工工艺,缺少可供借鉴的成熟经验,而我们已经习惯的钢铁材料的加工方法对工艺系统的要求相比很低,加工钛合金时对刀具材料、几何参数、机床动力及刚性、切削用量的要求要高得多。所以,只要我们突破传统加工习惯,正确选择刀具材料、合理确定刀具几何参数,并在此基础上合理选择切削用量,使工艺系统各要素优化配置,就完全可以避免传统钛合金加工中出现的许多问题。
3.1 选择刀具材料
降低切削温度、减小刀具磨损是选择钛合金切削刀具材料首要考虑的因素。刀具材料选择的一般性能要求如高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性、良好的工艺性和经济性等对钛合金切削刀具仍然适用,但是从降低切削温度、减小刀具磨损的角度出发,应该特别注意选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和力小的刀具材料。
一般情况下,从提高生产率、降低加工成本方面考虑,尽可能使用硬质合金刀具。但不能使用YT类硬质合金,因为这类硬质合金在高温下容易和钛合金亲和而加剧刀具磨损。应尽可能使用与钛合金化学亲和力小、导热性能好、强度高的细晶粒YG类硬质合金如YG3、YG6、YG8、YG6X、YG6A等。低速条件下断续切削以及薄层精密切削还可选用超细晶粒硬质合金。对于加工钛合金的成形刀具、多刃刀具和其他复杂刀具如成形车刀、成形铣刀、立铣刀、盘铣刀、钻头、铰刀、拉刀、螺纹刀具等,从刀具本身制造工艺性考虑,可以选用耐热性好的高钒高速钢(W12Cr4V4Mo)、钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)或铝高速钢(W6Mo5Cr4V2A1)等高性能高速钢。
随着材料技术的进步,超硬刀具材料和涂层硬质合金在钛合金切削中的应用也越来越广泛。目前生产中使用的超硬刀具材料主要是金刚石和立方氮化硼(CBN)。金刚石刀具刃口锋利、热传导率高、切削过程稳定、刀具寿命长,适于钛合金的精加工和超精加工,但要注意金刚石的耐热温度只有700℃~800℃,加工时必须进行充分的冷却和润滑。立方氮化硼(CBN)有很高的硬度、耐磨性、热稳定性和化学稳定性,随着其应用技术日益成熟,用于加工钛合金可以取得很好的效果。涂层硬质合金有很高的综合性能,发展很快,也越来越多地用于钛合金加工,但要特别注意不能使用含钛的涂层材料如Ti C、Ti N等,因为它们与钛合金之间的亲和力强,容易加剧刀具的粘结磨损。
3.2 合理选择刀具几何参数
选择钛合金切削刀具几何参数应遵循以下原则:
(1)前角γ:钛合金切削时切削力和切削热集中于切削刃附近,为增大切屑与前刀面接触长度以改善散热条件、加强切削刃,应该采用较小的前角,一般取γ=5°~10°。加工钛合金的硬质合金车刀还常常采用负倒棱来增强切削刃、减小刀具破损,负倒棱参数一般为:bγ1=0.03~0.1mm,γo1=-10°~0°。
(2)后角α:钛合金弹性恢复大,为减小后刀面与加工表面之间的摩擦,应该采用较大的后角。但是从刀具耐用度来看,后角太大或太小都会降低刀具耐用度,在一定切削条件下总有一个对应着最大耐用度的后角即为合理后角。对钛合金切削的大量实验结果表明,后角在15°左右时刀具耐用度最高,切削刃也比较锋利,所以钛合金加工刀具的后角一般都以15°为基准进行选择。
(3)主偏角κr和副偏角κr′:κr和κr′的作用主要有三个,一是影响切削刃的负荷和强度、影响散热条件进而影响刀具耐用度,二是直接影响已加工表面粗糙度,三是影响工艺系统的刚性。钛合金切削时只要工艺系统刚性允许,应当尽量减小主偏角以减小切削刃的负荷、增大散热面积。所以粗加工时κr一般在30°~45°之间选择,精加工及切削薄壁件时主偏角要选较大值,一般为κr=75°~90°。过大或过小的副偏角κr′都会降低刀具耐用度、引起振动、降低已加工表面质量。一般在工艺系统刚性允许的条件下,κr′应选用较小值。钛合金切削刀具的副偏角κr′一般在5°~15°之间选择,粗加工时取较大值,精加工时取较小值。
(4)刃倾角λs:λs对切屑流出方向、切削刃的锋利性、刀尖强度和散热等都有很大的影响。钛合金加工时切削力、切削热集中,为强化刀刃、保证刀具耐用度和工艺系统稳定,一般选用绝对值较小的λs。粗加工时根据情况一般在-5°~5°之间选择,精加工时一般取λs=0°。
(5)刀尖:刀尖的强度差,散热条件不好,而切削力和切削热又比较集中,所以刀尖处切削温度最高,很容易磨损甚至崩刃,钛合金切削刀具刀尖处的矛盾尤为突出,一定要注意强化刀尖。为此,钛合金切削刀具的刀尖一般不允许磨出尖角或直线型过渡刃,而需要磨出圆弧型过渡刃,一般取刀尖圆弧半径rε=0.5~1.5mm。
以上所述钛合金切削刀具主要几何参数的选择原则和推荐参数是以硬质合金作为刀具材料、以车削加工为基础提出的,在具体加工实践中必须根据工件和刀具材料、加工类型、工件特点和工艺条件进行具体分析,灵活而又合理地选择。例如,钛合金钻削加工比较困难,钻孔为半封闭式切削,由于钻头本身结构缺陷、刃磨不良、冷却不及时、工艺系统刚性差等原因,常在钻孔过程中出现烧刀、咬死和扭断现象。为此,对加工钛合金的麻花钻几何参数常做如下调整:为提高钻尖强度、减小切削变形和钻头扭矩,应加大钻头顶角2准(准角决定钻头主偏角κr:tanκrx=tanφcosλstx),可取2φ=130°~140°(标准麻花钻2φ≈118°),并磨出双重顶角2φ1=70°~80°;针对麻花钻从外缘到钻心前角渐小、后角渐大的情况,应该减小外缘处前角γ=15°~25°(标准麻花钻γ≈30°),增大外缘处后角αf=12°~15°(标准麻花钻αf≈8°~12°);为减小摩擦和扭矩,钻头副偏角κr′(即直径倒锥)应增加至标准钻头的2~3倍;螺旋角β也是钻头的轴向前角γf,既影响排屑通畅,又影响轴向力和扭矩,所以应当增大螺旋角β=35°~40°(标准麻花钻β=18°~30°);麻花钻的端面刃倾角λstx(sinλstx=-do/dx)沿切削刃各点是不同的,越靠近钻心λstx的绝对值越大,为改善钻心处的切削条件,同时也为了增强钻头强度和刚度,加工钛合金钻头的钻芯直径do应该适当增大,可取do=(0.22~0.4)d(标准麻花钻do=(0.125~0.15)d);钛合金钻孔时横刃的切削条件更为不利,所以对钻头横刃必须进行“S”或“X”形修磨,以降低扭矩和切削热,改善切削条件,延长刀具寿命。
3.3 务必提高钛合金切削刀具的刃磨质量
钛合金加工时刀具磨损严重、耐用度低、加工效率低的矛盾十分突出,因此对提高刀具刃磨质量应当给予足够的重视。加工钛合金的硬质合金刀具应当采用金刚石砂轮进行刃磨,要保证刃口锋利、刀面光洁,前、后刀面的表面粗糙度应小于Ra0.4,刃口部分不允许有微小的缺口。对主切削刃在刃磨后还应当用金刚石或碳化硅油石研磨出倒棱(背刀),以消除刃磨时产生的锯口,使切削刃光滑,达到提高刀具抗磨损能力、增强刀刃强度的目的。
3.4 充分的冷却润滑是钛合金加工的必要保证。
切削钛合金时,为了降低切削温度和切削力、减少刀具磨损、提高加工精度和表面质量,必须使用切削液对切削区进行充分的冷却和润滑。在切削液的选择上,粗加工钛合金时通常采用3%~5%的乳化液或10%~15%的极压乳化液,精加工时通常采用极压切削油或极压乳化液;对钛合金进行铰孔以及拉削、攻丝等低速加工时通常采用润滑性能好的极压切削油或豆油、蓖麻油、油酸、硫化油、混合油(60%和40%煤油)、电解切削液等,亦可采用高浓度的极压乳化液;钻孔时通常采用极压乳化液、极压切削油或豆油、蓖麻油、硫化油、电解切削液等;磨削时宜选用润滑性能较好的极压乳化液或极压切削油。冷却润滑的方法也十分重要,为保证良好的冷却润滑效果,切削液的浇注流量要充分(一般不小于15~20L/min),浇注位置应尽量接近切削区域,冷却方法最好采用高压喷雾冷却法、高压内冷却等。由于氯的化学腐蚀性和挥发有害气体,对含氯的极压切削液应慎重使用(当切削温度超过260℃时不宜使用),在使用时必须与防锈添加剂一起使用,在使用后应对工件充分清洗,以防止材料腐蚀。
当然,影响钛合金切削加工的因素还很多,除了刀具问题外,还有工艺系统的刚性、机床的动力及变速范围、夹具结构及工作状态、加工工序安排、切削用量的合理选择等多方面,要根据加工情况进行综合分析,使工艺系统各要素优化配置,达到最佳切削效果。
摘要：根据对钛合金切削加工性的分析,针对钛合金切削刀具的主要问题,提出了从刀具入手解决钛合金切削加工问题的思路,以及合理选择刀具材料、确定刀具几何参数、刃磨刀具、冷却润滑的一般原则及方法。
关键词：钛合金加工,刀具,材料,几何参数,刃磨,冷却
参考文献
[1]周泽华.金属切削原理[M].上海:上海科学技术出版社,1984.
[2]乐兑谦.金属切削刀具[M].北京:机械工业出版社,1985.
切削镍基高温合金试验研究 篇5
镍基高温合Inconel718金具有优良的热强、热稳定和热疲劳性能, 广泛用于国防和航空航天发动机轮盘和叶片等零部件[1]。由于其硬度高, 传热性差, 化学亲和力强, 属于难加工材料[2,3], 因此对其切削加工性的宏观了解, 有助于切削过程控制和丰富高效切削理论。
2 实验
试验在CA6140车床上进行, 切削力采用9257B型Kistler测力仪、5007型电荷放大器及计算机数据采集系统测量。切削温度采用自然热电偶法获得热电势并通过热电势标定曲线温度值测量。刀具磨损VB值是采用工具显微镜测量, 表面粗糙度测量系统采用便携式粗糙度测量仪进行。刀具为YG8硬质合金可转位外圆车刀, 工件为镍基高温合金圆棒料, 直径100mm, 长500mm, 镍基高温合金Inconel718因其硬度化, 加工硬化严重, 属于难加工材料, 本文在干切、乳化液冷却润滑条件下, 进行切削力、切削温度、切屑变形、刀具磨损以加加工表面粗糙度随切削用量变化的规律来评价镍基高温合金Inconel718的切削加工性。
3 结果与讨论
3.1 切削力随切削用量变化规律
在干切和乳化液冷却润滑条件下, 切削力随不同切削速度、进给量和切削深度的变化情况如图1所示。从图1中可以看出, 在干切和乳化液冷却润滑条件下, 切削力随切削速度的增加而减小, 随进给量和切削深度的增加而增。而使用切削液可以使切削降低, 且在随着切削速度的变化较为显著。
3.2 切削温度随切削用量变化规律
在干切和乳化液冷却润滑条件下, 切削温度随不同切削速度、进给量和切削深度的变化情况如图2所示。从图2中可以看出, 在干切和乳化液冷却润滑条件下, 切削温度随切削速度的、进给量和切削深度的增加而增加。而使用切削液在不同切削用量下都可以显著地降低切削温度。
3.3 表面粗糙度随切削用量变化规律
在干切和乳化液冷却润滑条件下, 表面粗糙度随不同切削速度和进给量的变化情况如图3所示。从图3中可以看出, 在干切和乳化液冷却润滑条件下, 表面粗糙度随切削速度和进给量的增加而增大。而使用切削液在不同切削用量下都可以显著地改善表面粗糙度。
3.4 切屑变形随切削用量变化规律
在干切和乳化液冷却润滑条件下, 切屑变形系数不同切削速度和进给量的变化情况如图4所示。图4中给出了切削Inconel718的Λh-f、v曲线。切削变形大也是高温合金的切削加工特点之一, 不难看出, 与干切相比, 用乳化液时变形系数有所减小, 由于冷却润滑作用可以减少因塑性变形而产生的热量, 这有助于抑制切削温度升高。
3.5 刀具磨损
在干切和乳化液冷却润滑条件下, v=30m/min、f=0.1mm/r时, 刀具磨损VB值如图5所示。图5中可以看出, 由于乳化液可以降低切削力、切削温度、切屑变形等, 能够有效地抑制刀具磨损, 与干切相比, 在v=30m/min、f=0.1mm/r时, 刀具寿命提高了35%左右。
4 结论
4.1分析了切削力、切削温度、加工表面粗糙度和切屑变形不同切削用理的变化情况, 切削力随切削速度的增加而增大, 而切削温度、加工表面粗糙度和切屑变形系数的情况反之。切削力、切削温度、加工表面粗糙度均随进给量的增大而增大, 切屑变形反之。
4.2与干切相比, 乳化液能够降低切削力、切削温度、加工表面粗糙度以信切屑变形系数, 有效地抑制刀具磨损, 在v=30m/min、f=0.1mm/r时, 刀具寿命提高了35%左右。
摘要：镍基高温合Inconel718金具有优良的热强、热稳定和热疲劳性能, 是国防和航空航天发动机轮盘和叶片等零部件的主要材料, 由于该材料导热性差、硬度高等特点, 刀具磨损严重, 本文能过切削试验, 在干切和乳化液冷却润滑条件下, 对镍基高温合金In-conel718的切削力、切削温度等切削加工性进行了研究。
关键词：Inconel718,刀具磨损,切削温度,切削加工性
参考文献
[1]D.Dudzinski, A.Devillez, A.Moufki, D.Larrouque`re, V.Zerrouki, J.Vigneau.A review of developmentstowards dry and high speed machiningof Inconel 718 alloy[J]InternationalJournal of Machine Tools&Manufac-ture 44 (2004) 439-456.
[2]宋志伟高硬度镍基高温合金Incone1 718的切削加工[J].工具技术.2000, 9 (34) :23-25.
硬质合金切削 篇6
关键词：高压冷却,钛合金,液氮冷却
1 引言
钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好、耐热性高、低温性能好、比重低等优良的综合性能而广泛应用于航空和航天、机械电子、生物医疗等工业中。特别是航空工业中诸如机体结构件、航空发动机和涡轮结构件应用。同时, 钛合金的热导率低、变形系数小、化学活性高, 易导致刀具的严重磨损, 是一种典型的难加工材料。
在航空工业中, 钛合金零部件、钛合金构件不断增加, 提高切削钛合金材料的生产效率和保证加工质量具有愈来愈重要的意义。
2 钛合金切削加工难度大
钛合金材料具有高强度、高硬度和低密度材料特性, 例如使用最广泛的钛合金Ti-6Al-4V (TC4) 抗拉强度达900MPa, 硬度为250~375HB, 密度4.42×103kg/m3, 使得钛合金材料整体结构件在航空工业的应用越来越多。因此, 实现钛合金材料结构件高效率切削加工已成为航空制造生产之关键, 和铝合金材相比, 钛合金材料属难加工金属材料, 其切削加工的难点主要表现在如下几方面:
(1) 大切削力
切削力来源有两个方面即变形和摩擦, 一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力, 二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。因此金属材料的硬度和强度越高, 其切削加工所需要的切削力就越大, 切削温度就越高, 刀具磨损就越快, 故相对可加工性也就越差。由钛合金的性质可知, 切削加工钛合金时将会产生较大热负载和机械负载, 迫使用户采用较低的切削速度, 仅为铝合金切削速度的10%, 这意味着会降低生产效率。
(2) 高切削温度
钛合金材具有很差的热导率和较高的比热容, 无法通过切屑把切削热从切削区传送出去。切削加工过程中所产生的热量大约有80%传入刀具中, 切削点的温度极高, 可达1100℃~1200℃左右。因此, 钛合金切削过程中刀具切削点的热量很难由切屑快速带走, 加速了刀具磨损, 这就决定了对钛合金工件必须采用高压大流量冷却液切削加工。
(3) 易发生冷硬现象
由于钛的化学活性大, 在高的切削温度下, 极易与空气中的氧和氮发生化学反应, 形成硬而脆的外皮, 导致切削表面生成硬化层, 其深度可达0.1~0.15mm, 使表层硬度大幅度提高, 加速了刀具磨损。同时, 高化学活性导致加工中切屑与刀具的粘结现象严重, 也加速了刀具磨损。
由此可以看出, 切削钛合金所存在的主要问题是由于刀具吸收的切削热太多, 导致刀具磨损加快。解决钛合金材料的切削问题在于采用耐高温的硬质合金刀具和对切削过程中的刀具进行有效冷却。为提高钛合金材料的切削效率和加工可靠性, 高压冷却是一种有效的解决办法。
3 采用高压冷却润滑解决钛合金切削难题
3.1 高压冷却润滑系统设计原则
为了提升设备加工生产率, 延长设备与刀具使用寿命, 改善零件加工质量, 绝大多数高速数控机床设计配置有完善的液压冷却润滑液系统。在实际使用时, 对切削刀具进行有效冷却和对切屑实施有效控制是前提条件, 要求冷却润滑液有较高的压力、足够的流量、精确对准切削刀刃和切屑之间接触区。为获得钛合金构件加工的最佳成果, 要把高压冷却和刀具材料、涂层、几何角度以及切削用量等要素的合理选用结合起来。
采用直接贯通主轴/刀具高压冷却系统, 带动多个外部喷嘴喷射的外喷式切削刀具, 以保持主轴良好运行性能, 快速冷却刀具、工件和冲排切屑, 提高零件加工质量, 增加刀具使用寿命, 提高了加工可靠性, 也有利于实现切削过程的自动化。
3.2 采用高压冷却的优势
(1) 采用高压冷却可以影响切屑的形状, 从而改善断屑
精确定向和并行0~100MPa高压的冷却剂高速射流, 通过在刀刃边缘附近设置喷嘴, 把切屑从转位刀片表面上排除掉, 同时还可以起到冷却和早期断屑的作用。即便加工延展性佳的材料或难加工材料, 依旧能轻易获得短的切屑, 实现更佳的切屑控制效果。对切削刃的有效冷却, 降低了切削刃对热波动的敏感性。
(2) 采用高压冷却可以提高切削速度
加工钛合金时, 一般采用机械夹固可转位片的刀具和整体硬质合金刀具。常规加工时, 粗加工时的切削速度一般为50m/min左右, 精加工的切削速度为200~300m/min。采用高压冷却时, 由于切削区温度的降低, 提高了刀具的耐用度。由此提高切削过程的可靠性, 并可提高钛合金加工的切削用量, 其中切削速度最多可提高200%。
(3) 采用高压冷却可以提高表面质量
表面质量的波动是由于温度变化和加工过程中切削力变化的影响。传统的冷却方法对改善工件表面质量有积极的影响, 采用高压冷却更有利于精加工的最后结果。冷却剂射流准确定向可以避免射流偏差和可能出现的错误源。由此可以达到安全和匀质的加工流程, 获得无瑕疵的表面质量。
3.3 采用高压冷却应考虑的几点问题
(1) 准确地协调压力、流量和喷嘴孔径之间的关系
喷嘴孔径大小应选择使其产生最高的压力和可以最佳地利用冷却润滑液的流量。根据Sandvik公司的资料, 例如, 在刀具上使用1mm孔径的喷嘴, 为保持足够的压力, 需要有5L/min的冷却润滑液流量。
在铣削加工时由于采用多个刀片, 所以对应着多个数量的喷嘴, 此时的冷却润滑液流量需要较大, 如果润滑系统流量不足, 就会降低喷嘴出口压力, 因此可考虑减小喷嘴喷口直径, 减少流量并保持冷却润滑液的喷射压力。
(2) 最大安全冷却液工作压力的确定
需要注意的是, 冷却液压力不能超过刀具可承受的最大安全冷却液工作压力, 工作时参考刀具生产厂家提供的高压冷却系列刀具最大安全冷却液压力。
4 采用液氮冷却是解决钛合金切削难题的另一种有效措施
4.1 液氮冷却的特点
液氮冷却切削是使用低沸点 (-196℃) 介质, 在压力作用下利用液氮特性将氮气发生装置所生成的氮气以液氮形式送入切削点, 代替大量油剂的切削方法。这种干式冷却除能冷却刀具、快速断屑和延长刀具寿命外, 还具有干切削加工所具有的众多经济、技术和生态效益。
4.2 采用液氮冷却的优势
(1) 保证精确的尺寸公差
利用液氮可以去除切削过程中产生的热, 使加工中的工件保持恒温。工件保持恒温可以保障恒定的切削条件, 有效地降低切削温度和减少钛和刀具材料之间的化学亲和力, 抑制切削区温升和刀具磨损速度, 从而保证精确的尺寸公差。
(2) 提高刀具的使用寿命
液态氮还将刀具保持在极冷状态, 低温冷冻改变了陶瓷刀具的特征, 使它们变得强度更高、硬度更高、韧性更大。陶瓷刀具的低温制冷还可以对那些淬硬材料进行断续切割。
(3) 改善加工表面质量
冷的氮气可以淬冷工件, 提高工件表面硬度。
采用液氮冷却, 应考虑以下技术要点:挥发的氮气与工件、刀具之间会形成气体分界层, 该分界层会阻碍热量的传递, 因此需要考虑在液态氮中悬置专用固体粒子, 结合击打刀具和工件的气体速度, 这些粒子会破坏气体分界层, 液态氮通过可以调整其流速的喷嘴喷到刀具和工件上。
参考文献
[1]任开强.高强度钛合金的高速铣削研究[D].南京:南京航空航天大学, 2003.
[2]李登万, 等, 钛合金加工切削力试验研究[J].广西大学学报 (自然科学版) , 2010 (5) :733-737.
硬质合金切削 篇7
高温合金GH4169不仅有良好的高温性能, 在低温条件下也同样可保持良好的机械性能, 但是其难加工性却成为制造业面对的一个难题。高温合金材料的难加工性, 最直接的体现就是加工所用的刀具磨损速度快, 磨损程度深, 在经过较少的切削使用后, 刀具就会出现表面粗糙度增大、外形尺寸发生变化、表面镀层部分缺失等磨损形式, 严重影响后续加工产品的质量。为此, 研究高温合金刀具的磨损形态、磨损机理对实际应用具有重要意义。
1 刀具磨损形式和原因理论分析
根据刀具磨损发生的位置, 可将刀具磨损分为前刀面磨损、后刀面磨损和边界磨损。前刀面磨损主要是由于刀具在切削过程中不断产生的切屑与前刀面发生挤压、摩擦而产生的磨损, 由于加工过程中产生的切削热主要集中在切屑上, 因此在切削过程中前刀面是刀具中温度较高的部位。后刀面磨损主要是由于工件存在塑性变形, 在工件被切削的部分离开切削刃后, 表面回弹后与后刀面发生摩擦而产生的磨损。由于高温合金GH4169材料的塑性好, 因此在内槽类零件加工过程中后刀面磨损较为严重。
刀具磨损的形式主要有以下几种:
1) 磨粒磨损。虽然刀具的硬度大于工件, 但是工件中存在的微小硬质点能在刀具表面上刻划出沟纹, 这种磨损形式属于磨粒磨损[1]。
2) 冷焊磨损。由于刀具刃口与工件被切削表面、刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件已切削表面接触的部位温度较高, 相互间的作用力较大, 切削运动的过程中摩擦剧烈, 因此在接触部位会产生冷焊现象, 同时由于切削运动产生的相对位移, 刀具表面的材料会发生破裂脱离, 形成冷焊磨损[2]。
3) 扩散磨损。在高温条件下, 刀具与工件、切屑接触中双方材料中的化学元素发生了相互扩散, 硬质合金刀具中的WC中的碳元素, 向碳元素密度低的区域中扩散, 进入工件和切屑中, 导致硬质合金的表层受到破坏而变脆, 在切削力和摩擦作用下, 被剥离形成扩散磨损[3]。
4) 氧化磨损。当切削温度超过700℃时, 空气中氧与刀具中的C、N、W、Co、Ti等元素发生氧化反应, 生成硬度较低的CO2、N2、WO3、Co O、Ti O2等, 在切削力和摩擦作用下, 被剥离形成氧化磨损[4]。
2 内槽切削刀具实际磨损形式和原因分析
在实际切削工作中, 内槽切削由于切削深度固定, 均为割槽刀刀具的宽度, 并且在切削的过程中与工件的接触区域也较长, 切削过程中受到摩擦因素的影响大于普通切削过程, 因此割槽切削过程的切削力较大, 切削温度也较高。割槽刀具是高温合金零件切削过程中磨损最严重的刀具之一。目前常用的适用于高温合金内槽切削的刀具有山特维克的GF4125和自行定制专用割槽刀, GF4125为Ti N单涂层刀具, 前刀面有断屑槽, 自行定制专用割槽刀为Ti N/Ti Al N多层涂层刀具, 前刀面无断屑槽。在经过切削工作后, 通过蔡斯金相光学显微镜, 观察刀具磨损情况, 结果如图1~图5所示。
从图1中观察可知成型刀在切削过程中, 后刀面在与工件表面接触摩擦的过程中发生磨粒磨损, 在后刀面上被刻划出的沟纹方向基本相同, 与切削方向一致。这主要是因为高温合金GH4169中存在的γ′相Ni3 (Al、Ti、Nb) 和γ″相Ni3Nb在700℃以下较为稳定, 具有较高的硬度, 此外高温合金中还有Fe3C、Cr23C6等硬质点[7]。从磨粒磨损的密度和均匀度看高温合金中存在的硬质点分布较为均匀, 数量较多。
同时在后刀面上也存在冷焊磨损, 冷焊部位在刀具、工件的相对运动作用下, 部分刀具表面的材料被剥离, 在后刀面形成微小凹坑。
从图2、图3中可知, 在刀具的前刀面靠近圆角的部位, 形成了典型的前刀面月牙洼磨损, 月牙洼附近的刃口整齐平整, 尚未形成崩刃。从月牙洼形成的位置可以判断出在刀具加工的过程中, 在刀头两端的圆角处, 在切削时切削温度最高, 磨损最严重。
从图4中可知, 割槽刀后刀面也存在与工件表面接触摩擦而发生的磨粒磨损, 同时还存在较为严重的片状磨损, 从磨损的形貌上观察, 应该属于扩散磨损或氧化磨损, 由于元素渗透和氧化反应, 刀具后刀面上材质性能下降, 在切削过程中出现剥落脱离, 在后刀面上形成斑状磨损。扩善磨损和氧化磨损发生的温度条件约为700℃, 由此可推测割槽刀的实际切削温度接近或超过700℃。
从图5中可知, GF4125割槽刀前刀面未见明显月牙洼, 主刀刃存在一处明显崩刃, 主刀刃、副刀刃上切屑瘤残留较为明显, 基本可推测崩刃发生的主要原因是在主刀刃上形成的切屑瘤, 在切削过程中脱落, 并造成刃口损坏。同时在前刀面上有明显片状脱落以及疑似裂纹的形貌, 片状脱落越靠近刃口越严重。
3 结语
通过对高温合金GH4169内槽切削中刀具的磨损机理进行的理论分析, 结合实际磨损情况的观察结果, 得到以下结论:在加工高温合金内槽的情况下, 设置了断屑槽的GF4125割槽刀上基本无明显月牙洼磨损, 但是在断屑的过程中, 前刀面出现了均匀的、较大面积的磨损;未设置断屑槽的成型刀前刀面月牙洼磨损明显, 说明断屑槽的设置对减少月牙洼磨损有一定的效果。GF4125后刀面涂层磨损严重, 同时随着切削温度的上升, 氧化磨损和扩散磨损成为主要磨损, 并且距离切削刃越近, 磨损越严重, 导致工件表面粗糙度增大。
摘要：高温合金GH4169是一种难加工材料, 文中对其在内槽切削中的磨损形式及原因进行了理论分析, 结合实际磨损情况观察, 得到相关结论, 可为制造业提供参考。
关键词：高温合金,GH4169,内槽切削,刀具磨损
参考文献
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