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了解加硬材料找到合理的加工方法

發(fā)布時(shí)間:2013-04-10 瀏覽:

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加硬材料的界定及具體品種

，隨時(shí)代及專業(yè)領(lǐng)域而各有不同，宇航產(chǎn)業(yè)常用的超耐熱合金

、鈦合金及含有碳纖維的復(fù)合材料等

，都是該領(lǐng)域的難加工材料。宇航業(yè)的工程技術(shù)員開展了加工技術(shù)的研究與開發(fā)工作

，已經(jīng)研究出適合該領(lǐng)域使用的切削工具和加工方法。近年來

，機(jī)械制品多功能

、高功能化的發(fā)展勢頭十分強(qiáng)勁，要求零件必須實(shí)現(xiàn)小型化

、微細(xì)化

。為了滿足些要求，則所用材料必須具有高硬度

、高韌性和高耐磨性，而具有這些特性的材料其加工難度也特別大

，因此又出現(xiàn)了新的難加工材料

。難加工材料就是這樣隨著時(shí)代的發(fā)展及專業(yè)領(lǐng)域的不同而出現(xiàn)，其特有的加工技術(shù)也隨著時(shí)代及各專業(yè)領(lǐng)域的研究開發(fā)而不斷向前發(fā)展

。

一、切削領(lǐng)域中的難加工材料

　　在切削加工中

，通常出現(xiàn)的刀具磨損包括如下兩種形態(tài)：(1)由于機(jī)械作用而出現(xiàn)的磨損

，如崩刃或磨粒磨損等；(2)由于熱及化學(xué)作用而出現(xiàn)的磨損

，如粘結(jié)

、擴(kuò)散、腐蝕等磨損

，以及由切削刃軟化

、溶融而產(chǎn)生的破斷、熱疲勞

、熱龜裂等

。

　　切削加硬材料時(shí)，在很短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)上述刀具磨損

，這是由于被加工材料中存在較多促使刀具磨損的因素。例如

，多數(shù)難加工材料均具有熱傳導(dǎo)率較低的特點(diǎn)

，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量很難擴(kuò)散，致使刀具刃尖溫度很高

，切削刃受熱影響極為明顯

。這種影響的結(jié)果會(huì)使刀具材料中的粘結(jié)劑在高溫下粘結(jié)強(qiáng)度下降

，WC(碳化鎢)等粒子易于分離出去

，從而加速了刀具磨損。另外

，難加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下產(chǎn)生反應(yīng)

，出現(xiàn)成分析出、脫落

，或生成其他化合物，這將加速形成崩刃等刀具磨損現(xiàn)象

。

在切削高硬度

、高韌性被加工材料時(shí)，切削刃的溫度很高

，也會(huì)出現(xiàn)與切削難加工材料時(shí)類似的刀具磨損

。如切削高硬度鋼時(shí)，與切削一般鋼材相比

，切削力更大

，刀具剛性不足將會(huì)引起崩刃等現(xiàn)象

，使刀具壽命不穩(wěn)定，而且會(huì)縮短刀具壽命

，尤其是加工生成短切屑的工件材料時(shí)

，會(huì)在切削刃附近產(chǎn)生月牙洼磨損，往往在短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)刀具破損

。

　　在切削超耐熱合金時(shí)

，由于材料的高溫硬度很高，切削時(shí)的應(yīng)力大量集中在刃尖處

，這將導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生塑性變形

；同時(shí)，由于加工硬化而引起的邊界磨損也比較嚴(yán)重

。

　　由于這些特點(diǎn)，所以要求用戶在切削難加工材料時(shí)

，必須慎重選擇刀具品種和切削條件

，以獲得理想的加工效果。

二

、加硬材料在切削加工中應(yīng)注意的問題

　　切削加工大致分為車削

、銑削及以中心齒為主的切削(鉆頭

、立銑刀的端面切削等)

，這些切削加工的切削熱對刃尖的影響也各不相同。車削是一種連續(xù)切削

，刃尖承受的切削力無明顯變化

，切削熱連續(xù)作用于切削刃上；銑削則是一種間斷切削

，切削力是斷續(xù)作用于刃尖，切削時(shí)將發(fā)生振動(dòng)

，刃尖所受的熱影響

，是切削時(shí)的加熱和非切削時(shí)的冷卻交替進(jìn)行，總的受熱量比車削時(shí)少

。

　　銑削時(shí)的切削熱是一種斷續(xù)加熱現(xiàn)象

，刀齒在非切削時(shí)即被冷卻，這將有利于刀具壽命的延

。日本理化研究所對車削和銑削的刀具壽命作了對比試驗(yàn)，銑削所用刀具為球頭立銑刀

，車削為一般車刀

，兩者在相同的被加工材料和切削條件(由于切削方式不同，切削深度

、進(jìn)給量

、切削速度等只能做到大體一致)及同一環(huán)境條件下進(jìn)行切削對比試驗(yàn)，結(jié)果表明

，銑削加工對延長刀具壽命更為有利

。

　　利用帶有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的鉆頭、球頭立銑刀等刀具進(jìn)行切削時(shí)

，經(jīng)常出現(xiàn)靠近中心刃處工具壽命低下的情況

，但仍比車削加工時(shí)強(qiáng)。

　　在切削難加工材料時(shí)

，切削刃受熱影響較大，常常會(huì)降低刀具壽命

，切削方式如為銑削

，則刀具壽命會(huì)相對長一些。但難加工材料不能自始至終全部采用銑削加工

，中間總會(huì)有需要進(jìn)行車削或鉆削加工的時(shí)候

，因此，應(yīng)針對不同切削方式

，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，提高加工效率

三

、切削加硬材料用的刀具材料

　　CBN的高溫硬度是現(xiàn)有刀具材料中最高的

，最適合用于難加工材料的切削加工。新型涂層硬質(zhì)合金是以超細(xì)晶粒合金作基體

，選用高溫硬度良好的涂層材料加以涂層處理

，這種材料具有優(yōu)異的耐磨性，也是可用于難加工材料切削的優(yōu)良刀具材料之一

。

　　加硬材料中的鈦、鈦合金由于化學(xué)活性高

，熱傳導(dǎo)率低

，可選用金剛石刀具進(jìn)行切削加工。CBN燒結(jié)體刀具適用于高硬度鋼及鑄鐵等材料的切削加工

，CBN成分含量越高

，刀具壽命也越長，切削用量也可相應(yīng)提高

。據(jù)報(bào)道，目前已開發(fā)出不使用粘結(jié)劑的CBN燒結(jié)體

。

　　金剛石刀具適用于鋁合金

、純銅等材料的切削加工

。金剛石刀具刃口鋒利，熱傳導(dǎo)率高

，刃尖滯留的熱量較少

，可將積屑瘤等粘附物的發(fā)生控制在最低限度之內(nèi)

。在切削純鈦和鈦合金時(shí)，選用單晶金剛石刀具切削比較穩(wěn)定

，可延長刀具壽命

。　　

涂層硬質(zhì)合金刀具幾乎適用于各種難加工材料的切削加工，但涂層的性能(單一涂層和復(fù)合涂層)差異很大

，因此

，應(yīng)根據(jù)不同的加工對象

，選用適宜的涂層刀具材料

。據(jù)報(bào)道，最近已開發(fā)出金剛石涂層硬質(zhì)合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂層硬質(zhì)合金

，使涂層刀具的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大

，并已可用于高速切削加工領(lǐng)域。

四

、切削難加工材料的刀具形狀

　　在切削難加工材料時(shí)，刀具形狀的最佳化可充分發(fā)揮刀具材料的性能

。選擇與難加工材料特點(diǎn)相適應(yīng)的前角

、后角、切入角等刀具幾何形狀和對刃尖進(jìn)行適當(dāng)處理

，對提高切削精度和延長刀具壽命有很大的影響

，因此，在刀具形狀方面決不能掉以輕心

。但是

，隨著高速銑削技術(shù)的推廣應(yīng)用，近來已逐漸采用小切深以減輕刀齒負(fù)荷

，采用逆銑并提高進(jìn)給速度，因此

，對切削刃形狀的設(shè)計(jì)思路也有所改變

。

　　對加硬材料進(jìn)行鉆削加工時(shí)，增大鉆尖角

，進(jìn)行十字形修磨

，是降低扭矩和切削熱的有效途徑

，它可將切削與切削面的接觸面積控制在最小范圍之內(nèi)，這對延長刀具壽命和提高切削條件十分有利

。鉆頭在鉆孔加工時(shí)，切削熱極易滯留在切削刃附近

，而且排屑也很困難

，在切削難加工材料時(shí)，這些問題更為突出

，必須給以足夠的關(guān)注

。

　　為了便于排屑，通常在鉆頭切削刃后側(cè)設(shè)有冷卻液噴出口

，可供給充足的水溶性冷卻液或霧狀冷卻劑等

，使排屑變得更為順暢，這種方式對切削刃的冷卻效果也很理想

。近年來

，已開發(fā)出一些潤滑性能良好的涂層物質(zhì)

，這些物質(zhì)涂鍍在鉆頭表面后

，用其加工3～5D的淺孔時(shí)，可采用干式鉆削方式

。

　　孔的精加工歷來采用鏜削方式

，不過近來已逐漸由傳統(tǒng)的連續(xù)切削方式改變?yōu)椴捎玫雀呔€切削這類間斷切削方式，這種方式對提高排屑性能和延長工具壽命均更為有利

。因此

，這種間斷切削用的鏜削刀具設(shè)計(jì)出來后，立即被應(yīng)用于汽車零件的CNC切削加工

。在螺紋孔加工方面，目前也采用螺旋切削插補(bǔ)方式

，切螺紋用的立銑刀已大量投放市場

。

　　如上所述，這種由原來連續(xù)切削向間斷切削的轉(zhuǎn)換

，是隨著對CNC切削理解的加深而進(jìn)行的

，這是一個(gè)漸進(jìn)的過程。采用此種切削方式切削難加工材料時(shí)

，可保持切削的平穩(wěn)性

，且有利于延長工具壽命

。

五

、加硬材料的切削條件

　　難加工材料的切削條件歷來都設(shè)定得比較低

，隨著刀具性能的提高，高速高精度CNC機(jī)床的出現(xiàn)

，以及高速銑削方式的引進(jìn)等

，目前，難加工材料的切削已進(jìn)入高速加工

、刀具長壽命化的時(shí)期

。

　　現(xiàn)在

，采用小切深以減輕刀具切削刃負(fù)荷

，從而可提高切削速度和進(jìn)給速度的加工方式，已成為切削難加工材料的最佳方式

。當(dāng)然，選擇適應(yīng)難加工材料特有性能的刀具材料和刀具幾何形狀也極為重要

，而且應(yīng)力求刀具切削軌跡的最佳化

。例如，鉆削不銹鋼等材料時(shí)

，由于材料熱傳導(dǎo)率很低

，因此，必須防止切削熱大量滯留在切削刃上

，為此應(yīng)盡可能采用間斷切削

，以避免切削刃和切削面摩擦生熱

，這將有助于延長工具壽命和保證切削的穩(wěn)定

。用球頭立銑刀對難加工材料進(jìn)行粗加工時(shí)，工具形狀和夾具應(yīng)很好配合

，這樣可提高刀具切削部分的振擺精度和夾持剛性

，以便在高速回轉(zhuǎn)條件下，保證將每齒進(jìn)給量提高到最大限度

，同時(shí)也可延長工具壽命

。　

　　如前所述

，難加工材料的最佳切削方法是不斷發(fā)展的

，新的難加工材料不斷出現(xiàn)

，對新材料的加工總是不斷困擾著工程技術(shù)人員

。最近，新型加工中心

、切削工具

、夾具及CNC切削等技術(shù)發(fā)展非常迅速

，而且在切削加工之外，CNC磨削

、CNC電加工等技術(shù)也得到空前的發(fā)展

，難加工材料的加工技術(shù)選擇范圍已大為擴(kuò)展。

　　當(dāng)然

，有關(guān)難加工材料加工信息的收集與對該技術(shù)的深入理解，還不能盡如人意

，正因?yàn)槿绱?div id="m50uktp" class="box-center"> ，而對難加工材料的不斷涌現(xiàn)，人們總是感到加工技術(shù)有些力不從心

。

　　例如

，前述車削加工由連續(xù)切削向間斷切削轉(zhuǎn)換，便有利于延長工具壽命

，新型涂層硬質(zhì)合金刀具的使用

，使難加工材料切削技術(shù)水平得到進(jìn)一步提高。在難加工材料的切削加工中應(yīng)特別重視工具壽命的穩(wěn)定

，不僅工件材料要和刀具性能妥善配伍，而且對加工尺寸

、加工表面粗糙度

、形狀精度等的要求也極嚴(yán)格，因此

，不僅應(yīng)特別注意刀具選用

，對工件的夾持方式等相關(guān)技術(shù)也不能掉以輕心。

　　今后

，難加工材料零件的加工將采取CAD/CAM

、CNC切削加工等計(jì)算機(jī)控制的生產(chǎn)方式，因此

，數(shù)據(jù)庫的建構(gòu)、工具設(shè)計(jì)與制作等工具管理系統(tǒng)的完善

，都極為重要

。難加工材料切削加工中，適用的刀具

、夾具

、工序安排、工具軌跡的確定等有關(guān)切削條件的數(shù)據(jù)

，均應(yīng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加以積累

，使零件生產(chǎn)方式沿著以IT化為基礎(chǔ)的方向發(fā)展

，這樣，難加工材料的切削加工技術(shù)才能較快地步入一個(gè)新的階段

。

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