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最佳刀具基體、涂層和切削刃制備技術提高硬質合金刀具壽命

發布時間:2016/7/15 10:04:44    字體大小:【】【】【

 關于刀具壽命,通常取決于不同的工件和刀具材料,以及不同的切削工藝。定量分析刀具壽命終止點的一種方式是設定一個可以接受的最大后刀面磨損極限值(用VB或VBmax表示)。刀具壽命可用預期刀具壽命的泰勒公式表示,即VcTn=C,該公式的一種更常用的形式為VcTn×Dxfy=C式中,Vc為切削速度;T為刀具壽命;D為切削深度;f為進給率;x和y由實驗確定;n和C是根據實驗或已發表的技術資料確定的常數,它們表示刀具材料、工件和進給率的特性。

  不斷發展的最佳刀具基體、涂層和切削刃制備技術對于限制刀具磨損和抵抗切削高溫至關重要。這些要素,加上在可轉位刀片上采用的斷屑槽和轉角圓弧半徑,決定了每種刀具對于不同的工件和切削加工的適用性。所有這些要素的最佳組合能夠延長刀具壽命,使切削加工更經濟、更可靠。

  

  改變基體

  通過在1-5μm范圍內改變碳化鎢的粒度,刀具制造商可以改變硬質合金刀具的基體性能。基體材料的粒度對于切削性能和刀具壽命起著重要作用。粒度越小,刀具的耐磨性越好。反之,粒度越大,刀具的強韌性越好。細顆粒基體主要用于加工航空牌號材料(如鈦合金、Inconel合金和其他高溫合金)的刀片。

  此外,將硬質合金刀具材料的鈷含量提高6%-12%,可以獲得更好的韌性。因此,可以通過調整鈷含量來滿足特定切削加工的要求,無論這種要求是韌性還是耐磨性。

  刀具基體的性能還可以通過在接近外表面處形成富鈷層,或者通過在硬質合金材料中有選擇性地添加其他合金元素(如鈦、鉭、釩、鈮等)而獲得增強。富鈷層可以顯著提高切削刃強度,從而提高粗加工和斷續切削刀具的性能。

  此外,在選擇與工件材料和加工方式相匹配的刀具基體時,還表現考慮另外5種基體特性——斷裂韌性、橫向斷裂強度、抗壓強度、硬度和耐熱沖擊性能。例如,如果硬質合金刀具出現沿切削刃崩刃的現象,就應該選用具有較高斷裂韌性的基體材料。而在刀具出現切削刃直接失效或破損的情況下,可能采用的解決方案是選用具有較高橫向斷裂強度或較高抗壓強度的基體材料。對于切削溫度較高的加工場合(如干式切削),通常應該首選硬度較高的刀具材料。在可以觀察到刀具產生熱裂紋的加工場合(在銑削加工中最常見),建議選用耐熱沖擊性能較好的刀具材料。

  涂層選擇

  涂層也有助于提高刀具的切削性能。目前的涂層技術包括:

  ①氮化鈦(TiN)涂層:這是一種通用型PVD和CVD涂層,可以提高刀具的硬度和氧化溫度。

  ②碳氮化鈦(TiCN)涂層:通過在TiN中添加碳元素,提高了涂層的硬度和表面光潔度。

  ③氮鋁鈦(TiAlN)和氮鈦鋁(AlTiN)涂層:氧化鋁(Al2O3)層與這些涂層的復合應用可以提高高溫切削加工的刀具壽命。氧化鋁涂層尤其適合干式切削和近干切削。AlTiN涂層的鋁含量較高,與鈦含量較高的TiAlN涂層相比,具有更高的表面硬度。AlTiN涂層通常用于高速切削加工。

  ④氮化鉻(CrN)涂層:這種涂層具有較好的抗粘結性能,是對抗積屑瘤的首選解決方案。

  ⑤金剛石涂層:金剛石涂層可以顯著提高加工非鐵族材料刀具的切削性能,非常適合加工石墨、金屬基復合材料、高硅鋁合金和其他高磨蝕性材料。但金剛石涂層不適合加工鋼件,因為它與鋼的化學反應會破壞涂層與基體的粘附性能。

  近年來,PVD涂層刀具的市場份額有所擴大,其價格也與CVD涂層刀具不相上下。CVD涂層的厚度通常為5-15μm,而PVD涂層的厚度約為2-6μm。在涂覆到刀具基體上時,CVD涂層會產生不受歡迎的拉應力;而PVD涂層則有助于對基體形成有益的壓應力。較厚的CVD涂層通常會顯著降低刀具切削刃的強度。因此,CVD涂層不能用于要求切削刃非常鋒利的刀具。

  切削刃制備

  在許多情況下,刀片切削刃的制備(或稱刃口鈍化)已成為決定加工成敗的分水嶺。鈍化工藝參數需根據特定的加工要求而定。例如,用于高速精加工鋼件的刀片對刃口鈍化的要求就與用于粗加工的刀片有所不同。刃口鈍化可應用于加工幾乎任何類型碳鋼或合金鋼的刀片,而在加工不銹鋼和特殊合金材料的刀片上,其應用則有一定限制。鈍化量可以小至0.007mm,也可以大到0.05mm。為了在條件惡劣的加工中起到增強切削刃的作用,還可以通過刃口鈍化形成微小的T型棱帶。

  一般來說,用于連續車削加工以及銑削大部分鋼和鑄鐵的刀片需要進行較大程度的刃口鈍化。鈍化量取決于硬質合金牌號和涂層類型(CVD或PCD涂層)。對于重度斷續切削加工刀片,對刃口進行重度鈍化或加工出T型棱帶已成為一種先決條件。根據不同的涂層類型,鈍化量可接近0.05mm。

  與此相反,由于加工不銹鋼和高溫合金的刀片容易形成積屑瘤,因此要求切削刃保持鋒利,只能進行輕微鈍化(可小至0.01mm),甚至還可以定制更小的鈍化量。同樣,加工鋁合金的刀片也要求具有鋒利的切削刃。

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