鋁活塞加工(gōng)刀具材料的合理選用


發布時間:

2022-06-09

刀具材料性能的優劣是影響加工(gōng)表面質量、切削加工(gōng)效率、刀具壽命的基本因素。切削加工(gōng)時,直接擔負切削工(gōng)作的是刀具的切削部分(fēn)。刀具切削性能的好壞大(dà)多取決于構成刀具切削部分(fēn)的材料、切削部分(fēn)的幾何參數及刀具結構的選擇和設計是否合理。切削加工(gōng)生(shēng)産率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工(gōng)成本的多少、加工(gōng)精度和表面質量的優劣等等,在很大(dà)程度上都取決于刀具材料的合理選擇。正确選擇刀具材料是設計和選用刀具的重要内容之一(yī)。

刀具材料性能的優劣是影響加工(gōng)表面質量、切削加工(gōng)效率、刀具壽命的基本因素。切削加工(gōng)時,直接擔負切削工(gōng)作的是刀具的切削部分(fēn)。刀具切削性能的好壞大(dà)多取決于構成刀具切削部分(fēn)的材料、切削部分(fēn)的幾何參數及刀具結構的選擇和設計是否合理。切削加工(gōng)生(shēng)産率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工(gōng)成本的多少、加工(gōng)精度和表面質量的優劣等等,在很大(dà)程度上都取決于刀具材料的合理選擇。正确選擇刀具材料是設計和選用刀具的重要内容之一(yī)。

        每一(yī)品種刀具材料都有其特定的加工(gōng)範圍,隻能适用于一(yī)定的工(gōng)件材料和切削速度範圍。不同的刀具材料和同種刀具加工(gōng)不同的工(gōng)件材料時刀具壽命往往存在很大(dà)的差别,例如:加工(gōng)鋁活塞時,金剛石刀具的壽命是YG類硬質合金刀具壽命的幾倍到幾十倍;YG類硬質合金刀具加工(gōng)含矽量高、中(zhōng)、低的鋁合金時其壽命也有很大(dà)的差别。所以,合理選用刀具是成功進行切削加工(gōng)的關鍵。每一(yī)種刀具材料都有其最佳的加工(gōng)對象,即存在切削刀具與加工(gōng)對象的合理匹配問題。

1 刀具材料應具備的性能
1.1 高的硬度和耐磨性
硬度是刀具材料應具備的基本特性。刀具要從工(gōng)件上切下(xià)切屑,其硬度必須比工(gōng)件材料的硬度大(dà)。切削金屬所用刀具的切削刃硬度,一(yī)般都在60HRC以上。
耐磨性是材料抵抗磨損的能力。一(yī)般來說,刀具材料的硬度越高,其耐磨性就越好。組織中(zhōng)的硬質點(碳化物(wù)、氮化物(wù)等)的硬度越高,數量越多,顆粒越小(xiǎo),分(fēn)布越均勻,則耐磨性越好。耐磨性還與材料的化學成分(fēn)、強度、顯微組織及摩擦區的溫度有關。可用公式表示材料的耐磨性WR:
WR=KIC0.5E-0.8H1.43
式中(zhōng):H——材料硬度(GPa)。硬度愈高,耐磨性愈好。
KIC——材料的斷裂韌性(MPa·m½)。KIC愈大(dà),則材料受應力引起的斷裂愈小(xiǎo),耐磨性愈好。
E——材料的彈性模量(GPa)。E很小(xiǎo)時,由于磨粒引起的顯微應變,有助于産生(shēng)較低的應力,耐磨性提高。
1.2 足夠的強度和韌性
要使刀具在承受很大(dà)壓力,以及在切削過程經常出現的沖擊和振動條件下(xià)工(gōng)作,而不産生(shēng)崩刃和折斷,刀具材料就必須具有足夠的強度和韌性。
1.3 高的耐熱性(熱穩定性)
耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要标志(zhì)。它是指刀具材料在高溫條件下(xià)保持一(yī)定的硬度、耐磨性、強度和韌性的性能。
刀具材料還應具有在高溫下(xià)抗氧化的能力以及良好的抗粘結和抗擴散的能力,即刀具材料應具有良好的化學穩定性。
1.4 良好的熱物(wù)理性能和耐熱沖擊性能
刀具材料的導熱性愈好,切削熱愈容易從切削區散走,有利于降低切削溫度。
刀具在斷續切削或使用切削液時,常常受到很大(dà)的熱沖擊(溫度變化劇烈),因而刀具内部會産生(shēng)裂紋而導緻斷裂。刀具材料抵抗熱沖擊的能力可用耐熱沖擊系數R表示,R的定義是為:
R=λσb(1-µ)/Eα
式中(zhōng):λ——導熱系數;
σb——抗拉強度;
µ——泊松比;
E——彈性模量;
α——熱膨脹系數。
導熱系數大(dà),使熱量容易散走,降低刀具表面的溫度梯度;熱膨脹系數小(xiǎo),可減少熱變形;彈性模量小(xiǎo),可以降低因熱變形而産生(shēng)的交變應力的幅度;有利于材料耐熱沖擊性能的提高。
耐熱沖擊性能好的刀具材料,在切削加工(gōng)時可以使用切削液。
1.5 良好的工(gōng)藝性能
為了便于刀具的制造,要求刀具材料具有良好的工(gōng)藝性能,如鍛造性能、熱處理性能、高溫塑性變形性能、磨削加工(gōng)性能等。
1.6 經濟性
經濟性是刀具材料的重要指标之一(yī),優質刀具材料雖然單件刀具成本很高,但因其使用壽命長,分(fēn)攤到每個零件的成本則不一(yī)定很高。因此在選用刀具材料時要綜合考慮其經濟效果。
2 刀具材料
2.1 高速鋼
高速鋼是一(yī)種加入了較多的鎢、钼、鉻、釩等合金元素的高合金工(gōng)具鋼。高速鋼具有較高的強度和韌性,并且具有一(yī)定的硬度和耐磨性。适合各類刀具的要求。高速鋼刀具制造工(gōng)藝簡單,容易磨成鋒利切削刃,因此盡管各種新型刀具材料不斷出現,高速鋼刀具在金屬切削中(zhōng)仍占較大(dà)的比例。可以加工(gōng)有色金屬和高溫合金。由于高速鋼具有以上性能,活塞加工(gōng)中(zhōng)的銑澆冒口、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀、鑽油孔用鑽頭等刀具都為高速鋼材料。
2.2 硬質合金
硬質合金是由難熔金屬碳化物(wù)(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金屬粘結劑(如Co、Ni等)粉末經粉末冶金的方法制成。
由于硬質合金中(zhōng)都含有大(dà)量的金屬碳化物(wù),這些碳化物(wù)都有熔點高、硬度高、化學穩定好、熱穩定性好等特點,因此,硬質合金材料的硬度、耐磨性、耐熱性都很高。常用硬質合金的硬度為89~93HRA,比高速鋼的硬度(83~86.6HRA)高,在800~1000℃時尚能進行切削。在540℃時,硬質合金的硬度為82~87HRA,在760℃時,硬度仍能保持77~85HRA。因此,硬質合金的切削性能比高速鋼高得多,刀具耐用度可提高幾倍到幾十倍,在耐用度相同時,切削速度可提高4~10倍。
目前我(wǒ)(wǒ)公司使用的硬質合金刀具主要是YG類(WC-TiC-Co)中(zhōng)的YG6和YGX。YT類(WC-TiC-Co)中(zhōng)的YT15等硬質合金用于活塞粗加工(gōng)、半精加工(gōng)和部分(fēn)精加工(gōng)工(gōng)序。
2.3 金剛石
金剛石是目前已知(zhī)礦物(wù)材料中(zhōng)硬度最高、熱傳導性最好的物(wù)質,與各種金屬、非金屬材料配對摩擦的磨損量僅為硬質合金的1/50~1/800,是制作切削刀具最理想的材料。然而,天然單晶金剛石僅用于制作首飾及某些有色金屬的超精密加工(gōng)。刀具用人造大(dà)顆粒單晶金剛石盡管目前De Beers公司、住友電(diàn)工(gōng)等均已工(gōng)業化生(shēng)産,但還沒有進入大(dà)量應用階段。
金剛石刀具的切削刃非常鋒利(這對切下(xià)極小(xiǎo)斷面的切屑是很重要的),刃部粗糙度很小(xiǎo),摩擦系數又(yòu)低,切削時不易産生(shēng)積屑瘤,加工(gōng)表面質量高。加工(gōng)有色金屬時,表面粗糙度可達到Ra0.012µm,加工(gōng)精度可達到IT5級以上。
金剛石刀具有三種:天然單晶金剛石刀具、整體(tǐ)人造聚晶金剛石刀具、金剛石複合刀具。天然金剛石刀具由于成本較高等原因,在實際生(shēng)産中(zhōng)應用較少。人造金剛石是通過合金觸媒的作用,在高溫高壓下(xià)由石墨轉化而成。金剛石複合刀片是在硬質合金基體(tǐ)上經過高溫、高壓等先進工(gōng)藝燒結一(yī)層約0.5~1µm厚的金剛石,這種材料是以硬質合金做基體(tǐ),其機械性能、熱傳導性和膨脹系數都近似于硬質合金,基體(tǐ)上的人造多晶金剛石磨料中(zhōng)的金剛石晶體(tǐ)呈不規則排列,其硬度和耐磨性在各個方向都是均勻的。
聚晶金剛石(簡稱PCD)是由經過篩選的人造金剛石微晶體(tǐ)在高溫高壓下(xià)燒結而成。在燒結過程中(zhōng),由于添加劑的加入,使金剛石晶體(tǐ)間形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等為主要成分(fēn)的結合橋。金剛石晶體(tǐ)以共價鍵的結合形成牢固地嵌于結構橋構成的堅強骨架中(zhōng),使PCD的強度和韌性都大(dà)大(dà)提高,其硬度約為9000HV,抗彎強度為O.21~0.48GPa,導熱系數為20.9J/cm·sµ℃,熱膨脹系數為3.1×10-6/℃。現在使用的聚晶金剛石刀具大(dà)多是PCD與硬質合金基體(tǐ)燒結形成的複合體(tǐ),即在硬質合金基體(tǐ)上燒結上一(yī)層PCD。PCD的厚度一(yī)般為0.5mm和0.8mm,由于底層為硬質合金,焊接方便;又(yòu)由于PCD結合橋的導電(diàn)性,使得PCD便于切割加工(gōng)成各種形狀,制成各種刀具,成本遠遠低于天然金剛石。
聚晶金剛石(PCD)可加工(gōng)各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料,如鋁、銅、鎂及其合金,硬質合金,纖維增強塑料,金屬基複合材料,木材複合材料等。PCD刀具材料中(zhōng)金剛石晶粒平均尺寸不同,對性能産生(shēng)的影響也不同,晶粒尺寸越大(dà),其耐磨性越高。在相近的刃口加工(gōng)量下(xià),晶粒尺寸越小(xiǎo),則刃口質量越好。選用晶粒尺寸為10~25µm的PCD刀具,可以500~1500m/min的高速切削Si含量12~18%的矽鋁合金,晶粒尺寸8~9µm的PCD加工(gōng)Si含量小(xiǎo)于12%的鋁合金。超精密加工(gōng),則應選用晶粒尺寸小(xiǎo)的PCD刀具。PCD的耐磨性在超過700℃時會減弱,因其結構中(zhōng)含有金屬Co,會促進“逆向反應”即由金剛石向石墨轉變。PCD有較好的斷裂韌性,可以進行斷續切削,可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。
可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩定性和高表面光潔度加工(gōng)。在切削加工(gōng)有色金屬時,PCD刀具的壽命是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍,是目前鋁活塞精密加工(gōng)的理想刀具。例如:精車(chē)活塞環槽、精镗活塞銷孔、精車(chē)活塞外(wài)圓、精車(chē)活塞頂面等工(gōng)序。
2.4 立方氮化硼
聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉與少量粘結相(Co,Ni或TiC、TiN、Al203)在高溫高壓下(xià)加入催化劑燒結而成的。它具有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300~1500℃),優良的化學穩定性、比金剛石刀具高得多的熱穩定性(達1400℃)和導熱性,低的摩擦系數,但其強度較低。與金剛石相比,PCBN的突出優點是熱穩定性高得多,可達1200℃(金剛石為700~800℃),可承受較高的切削速度;另一(yī)個突出優點是化學惰性大(dà),與鐵族金屬在1200~1300℃下(xià)也不起化學反應,可用于加工(gōng)鋼鐵。因此,PCBN刀具主要用于高效加工(gōng)黑色難加工(gōng)材料。
PCBN刀具除了具有以上的特點外(wài),還有以下(xià)幾項優點:①硬度高,特别适合于加工(gōng)從前隻能磨削的HRC50以上的淬硬鋼、HRC35以上的耐熱合金和HRC30以下(xià)而其它刀具很難加工(gōng)的灰口鑄鐵。②與硬質合金刀具相比,切削速度高,可實現高速高效切削。③耐磨性好,刀具耐用度高(為硬質合金刀具的10~100倍),能獲得較好的工(gōng)件表面質量,實現以車(chē)代磨。不足之處在于PCBN刀具的抗沖擊性能較硬質合金差,因此,使用時應注意提高工(gōng)藝系統的剛性,盡量避免沖擊切削。
PCBN可制成整體(tǐ)的刀片,也可與硬質合金結合制成複合刀片。PCBN複合刀片是在硬質合金基體(tǐ)上燒結一(yī)層0.5~1.0mm厚的PCBN,其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性。
PCBN的性能主要與CBN的粒度、CBN的含量及結合劑種類有關,按其組織大(dà)緻可分(fēn)為兩大(dà)類:一(yī)類是由CBN晶粒直接結合而成,CBN含量高(70%以上),硬度高,适用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工(gōng);另一(yī)類是以CBN晶粒為主體(tǐ),通過陶瓷結合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al203等)燒結而成,這類PCBN中(zhōng)CBN含量低(70%以下(xià)),硬度低,适用于切削加工(gōng)淬硬鋼。
在我(wǒ)(wǒ)公司,立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環活塞的車(chē)削鑄鐵環槽工(gōng)序中(zhōng),同時也應用于活塞立體(tǐ)靠模的加工(gōng)中(zhōng)。
2.5 陶瓷
陶瓷刀具材料的主要優點是:
有很高的硬度與耐磨性,常溫硬度達91~95HRC;
有很高的耐熱性,在1200℃高溫下(xià)硬度為80HRC;而且高溫條件下(xià)抗彎強度、韌性降低極少;
有很高的化學穩定性,陶瓷與金屬親合力小(xiǎo),高溫抗氧化性能好,即使在熔化溫度下(xià)也不與鋼相互作用。因而刀具的粘結、擴散、氧化磨損較少;
有較低的摩擦系數,切屑不易粘刀,不易産生(shēng)積屑瘤。
陶瓷刀的缺點是:
脆性大(dà),強度與韌性低,抗彎強度隻有硬質合金的1/2~1/5,因此使用時必須選擇合适的幾何參數與切削用量;避免承受沖擊負荷,以防崩刃與破損;此外(wài),陶瓷刀導熱率低,僅為硬質合金的1/2~1/5,熱膨脹系數卻比硬質合金高10~30%,抗熱沖擊性較差。
目前,陶瓷刀具還沒有應用于鋁活塞加工(gōng)過程中(zhōng)。
3 小(xiǎo)結
刀具材料的發展對切削技術的進步起着決定性的作用。本文介紹了切削中(zhōng)所使用的金剛石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、硬質合金、高速鋼等刀具材料的性能及适用範圍。刀具損壞機理是刀具材料合理選用的理論基礎,刀具材料與工(gōng)件材料的性能匹配合理是切削刀具材料選擇的關鍵依據,要根據刀具材料與工(gōng)件材料的力學、物(wù)理和化學性能選擇刀具材料,才能獲得良好的切削效果。就活塞在切削加工(gōng)時的刀具材料選用作了闡述。
高速鋼:活塞加工(gōng)中(zhōng)銑澆冒口、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀,鑽油孔用鑽頭等都為高速鋼材料。
硬質合金:YG、YD系列硬質合金刀具被廣泛應用于鋁活塞加工(gōng)的各個工(gōng)序中(zhōng),特别是活塞粗加工(gōng)和半精加工(gōng)工(gōng)序。
立方氮化硼:立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環活塞的車(chē)削鑄鐵環槽工(gōng)序中(zhōng)。同時也應用于活塞立體(tǐ)靠模的加工(gōng)中(zhōng)。
金剛石:金剛石刀具可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩定性和高表面光潔度加工(gōng)。在切削鋁合金時,PCD刀具的壽命是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍,是目前鋁活塞精密加工(gōng)的理想刀具,已經應用于精車(chē)活塞環槽、精镗活塞銷孔、精車(chē)活塞外(wài)圓、精車(chē)活塞頂面及精車(chē)活塞燃燒室等精加工(gōng)工(gōng)序中(zhōng)。