隨著數控機床加工心等高效設備應用日漸普及,航空航天、汽車、高速列車、風電、電子、能源、模具等裝備制造業空前發展推動下,切削加工已邁入了一個以高速、高效環保為標志高速加工發展新時期—現代切削技術階段。
高速切削、干切削硬切削作為當前切削技術重要發展趨向,其重要地位角色日益凸顯。對這些先進切削技術應用,不僅令加工效率成倍提高,亦著實推動了產品開發工藝創新進程。例如,精密模具硬質材料型腔,采用高轉速、小進給量小吃深加工,既可獲得很高表面質量,又能夠省卻磨削、EDM手工拋光或減少相應工序時間,從而縮短生產工藝流程,提高生產率。
過去一些企業制作復雜模具時,基本上都需要3~4個月才能交付使用,而現采用高速切削加工後,半個月便可完成。據調查,一般工模具,有60%機加工量可用高速加工工藝來實現。
高速加工時,不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能穩定地斷屑卷屑、還要能達成高精度,并能實現快換或自動更換等。因此,對刀具材料、刀具結構、以及刀具裝夾都提出了更高要求。
對刀具材料要求
高速加工刀具最突出要求,既要有高硬度高溫硬度,又要有足夠斷裂韌性。為此,須選用細晶粒硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷、聚晶金剛石(PCD)聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它們各有特點,適應工件材料切削速度范圍也都不同。例如,高速加工鋁、鎂、銅等有色金屬件,主要采用PCDCVD金剛石膜涂層刀具。高速加工鑄件、淬硬鋼(50~67HRC)冷硬鑄鐵主要用陶瓷刀具PCBN刀具。
上海大眾汽車有限公司采用Seco刀具(上海)公司生產立方氮化硼CBN300刀片面銑刀,柔性生產線上高速銑削發動機缸體平面(鑄件),切削速度高達1600m/min,進給速度5000mm/min。用PCD刀具加工鋁合金切削速度一般為3000-4000m/min,最高更可達7500m/min。而用陶瓷PCBN刀具加工淬硬鋼冷硬鑄鐵時切削速度已達200m/min。
1. 硬質合金已邁入細晶粒超細晶粒階段
涂層硬質合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等)雖其加工工件材料范圍廣,但抗氧化溫度一般不高,所以通常只宜400-500m/min切削速度范圍內加工鋼鐵件。對於Inconel 718高溫鎳基合金可使用陶瓷PCBN刀具。據報道,加拿大學者用SiC晶須增韌陶瓷銑削Inconel 718合金,推薦最佳切削條件為:切削速度700m/min,吃深為1-2mm,每齒進給量為0.1-0.18mm/z。
目前,硬質合金已進入細晶粒(1-0.5μm)超細晶粒(<0.5μm)發展階段,過去細晶粒多用於K類(WC+Co)硬質合金,近幾年來P類(WC+TiC+Co)M類(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬質合金也向晶粒細化方向發展。
以往,為提高硬質合金韌性,通常增加鈷(Co)含量,由此帶來硬度降低如今可以通過細化晶粒得到補償,并使硬質合金抗彎強度提高到4.3GPa,已達到并超過普通高速鋼(HSS)抗彎強度,改變了人們普遍認為P類硬質合金適於切鋼、而K類硬質合金只適於加工鑄鐵鋁等有色金屬選材格局。
采用WC基超細晶粒K類硬質合金,同樣可加工各種鋼料。細晶粒硬質合金另一個優點刀具刃口鋒利,尤其適於高速切削粘而韌工件材料。以日本不二越公司開發AQUA麻花鉆為例,其用細晶粒硬質合金制造,并涂覆耐熱、耐摩擦潤滑涂層,高速濕式加工結構鋼合金鋼(SCM)時,切削速度200m/min,進給速度1600mm/min,加工效率提高了2.5倍,刀具壽命提高2倍;干式鉆孔時,切削速度150m/min,進給速度1200mm/min。
2. 涂層提升到開發厚膜、復合多元涂層新階段
現如今,涂層已進入到開發厚膜、復合多元涂層新階段,新開發TiCN、TiAlN多元超薄、超多層涂層(有超薄膜涂層數可多達2000層,每層厚約1nm)與TiC、TiN、Al2O3等涂層復合,加上新型抗塑性變形基體,改善涂層韌性、涂層與基體結合強度、提高涂層耐磨性方面有了重大進展,全面提高了硬質合金性能。
涂層刀具已成為現代切削刀具標志,刀具使用比例達到60%。涂層硬質合金刀具產品現已呈現品牌化、多樣化通用化趨向。例如,德國施耐爾(Schnell)公司用納米技術推出一種超長壽命LL涂層立銑刀,用其加工零件硬度超過70HRC淬硬模具鋼材時,刀具壽命可延長2-3倍。
瑞典Sandvik公司新推出3種涂層刀片(GC4225、GC4240、GC1030)具有較廣通用性,GC4225(突破一號)作為GC4025(P25)牌號升級產品,用其加工汽車曲軸鋼鍛件時,相同切削條件下刀具壽命為每個切削刃可加工41個零件,而GC4025每個切削刃能加工零件數目為14個。
山高(Seco)Jabro全新推出整體硬質合金通用加工銑刀Solid2 系列刀具不僅采用了新材質,更導入新涂層,可適用加工溫度由普通刀具800攝氏度提高到了現有1100攝氏度,顯著提高了加工效率刀具壽命。同時,Solid2 系列均采用了刃口鈍化處理徑向全周鏟背處理技術,使得刀具涂層與材質結合更加完美,刀具可重磨次數也大幅提高。
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