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采用圆刀片车削镍基合金(2)
已阅[395]次[2011/3/13]

涂层与不涂层
    除了考虑圆刀片的几何角度以外,航空航天和石油天然气行业的零件制造商还必须考虑是否采用涂层刀具。
    首先需要考虑硬质合金刀具材料的组织结构。Gardner推荐采用亚微米晶粒的硬质合金基体用于无振动的连续切削。山高刀具公司的Graham对此表示赞同,“微米晶粒的硬质合金可以提高耐磨性和抗变形能力,在加工镍基合金时,后者显得尤其重要。切削镍基合金时,会产生大量切削热和切削压力。钢在红热状态下会软化,而镍基超级合金在红热状态下仍能保持其强度和硬度。因此,即使在红热状态下,镍基合金仍然会对刀片施加很大压力。”
    Graham推荐,在加工硬度大于HRC32的高温合金时,刀具应采用PVD涂层(而不是CVD涂层),因为PVD涂层通常较薄,能更好地保持刀具切削刃的锋利度。他补充道,为了防止加工镍基合金时常见的其它失效形式,如磨损、积屑瘤和月牙洼等,PVD涂层也是首选,因为其耐磨性更好。不过,在加工较软的超级合金(如Inconel 600)时,则应选用CVD涂层,因为此时刀片的主要失效形式是月牙洼磨损,而较厚的CVD涂层能更有效地防止月牙洼磨损。
    山特维克可乐满的Tisdall则推荐在大多数加工中通常应采用CVD涂层圆刀片。“由于CVD涂层通常比较厚,因此可以提供更长的刀具寿命和更高的切削速度。”至于CVD涂层比PVD涂层更容易产生刻划磨损是CVD工艺本身的问题。Tisdall认为,CVD工艺会在刀片的硬质合金基体中产生η相,从而消耗掉基体中用于抵抗刻划磨损的钴结合剂,同样,钴结合剂的消耗也会削弱硬质合金基体。
    虽然如此,Tisdall还是宁愿在加工超级合金时采用CVD涂层圆刀片,“圆刀片几何形状的强度和减薄切屑效应弥补了切削刃的内在弱点。而采用带顶角的刀片——CNMG、DNMG或VNMG刀片与小导角刀具相结合加工超级合金时,采用PVD牌号则更合适。”
    Tisdall说,“另一个关键问题是,涂层可能会长时间粘附在切削刃线上。你最不想看到的是,当加工完一个大型航空零件后,却发现由于刀片涂层已在切削过程中破损,而使零件加工尺寸不正确。你或者不得不设法返工补救,或者在只好将这个工件报废,而这样会造成很大的经济损失。”
    一些航空零件生产企业仍然宁愿使用未涂层刀片,因为他们担心在加工过程中涂层会污染工件。ATI Stellram公司的Gardner说,“显然,他们不愿意使零件受到腐蚀或发生变形,哪怕很短时间也不行。关于涂层扩散到母体材料中的问题已进行了许多研究,但我们从未发现PVD涂层扩散到材料中。尽管如此,一些航空发动机零件制造商还是喜欢采用未涂层刀片。”
    肯纳公司的Battaglia认为,零件制造商可能会发现,尽管硬质合金涂层圆刀片性能不错,但还不足以满足他们的加工。与陶瓷刀具相比,涂层圆刀片的弱点在于其速度性能明显受限。 他解释说,虽然有时候需要采用硬质合金刀片加工(如因机床存在局限性或工件夹具需要以较低速度运转,或者对关键航空零件进行最终精加工时),但通常明确规定,硬质合金刀片应在低速下加工,以避免损坏工件或在工件表面形成“白层”。
    陶瓷圆刀片
    Greenleaf公司的Hill认为,硬质合金刀片(甚至是涂层的亚微米晶粒硬质合金刀片)目前还很难与陶瓷刀片并驾齐驱,“比如说,在加工典型的Inconel 718合金时,即使采用我们的最佳硬质合金刀具加工方案,切削速度也只能达到300 sfm,而且这还是轻载精加工而不是粗加工的速度。而陶瓷刀具却能采用800-900 sfm的切削速度。”
    陶瓷刀片可以如此高的速度进行加工,是因为其熔融温度远远高于它所切削的任何金属的熔点。例如,一种晶须增强的陶瓷圆刀片(由氧化铝基体和碳化硅晶体构成)的熔点可高达2000℃以上。由于具有如此高的熔点,因此陶瓷刀片可在极高的温度下抵抗变形和软化。
    尽管如此,Battaglia警告说,如果采用的切削速度过高,陶瓷圆刀片仍然会磨损。此外,他建议对陶瓷圆刀片的切削刃进行钝化处理(也称为T形刃带倒钝或刀尖半径钝化)。典型的T形刃带位于前刀面上,宽度为0.05-0.1mm,角度为20°-25°。“如果采用锋利的切削刃,刃口裂纹很容易扩展。如果对切削刃进行了制备,就能将更多切削力引入刀具材料主体,从而抑制裂纹扩展,避免切削刃崩刃。”
    Graham介绍说,在现有刀具材料中,CBN刀片能够采用比陶瓷刀片更高的切削速度(1,000 sfm)进行加工。
    谨慎选择切削用量
    Gardner认为,鉴于圆刀片的强度,需要小心地将其应用于工件(甚至是高镍合金工件)的加工就不足为怪了。例如,圆刀片的最大切削深度不应超过刀具直径尺寸的25%。如果超过了25%,刀具与工件接触面积过大,将产生过大的切削压力和切削热,其结果不是损坏刀片,就是损坏工件。
    对于凹槽车削,为了减小损坏圆刀片或工件的可能性,Tisdall推荐采用不同于插车和外圆车削的摆线车削方式。在插车和外圆车削加工中,刀片在切入工件时要承受很大压力,并横向移动切削工件材料,直至到达槽壁位置。刀片承受的压力可能会导致崩刃,并造成刀具完全失效。而摆线车削的切削深度较小,Tisdall 说,“刀片切入工件很浅,只需采用较小的切深,在向槽壁位置切削时,刀片与工件的接触长度也不大。”
    Tisdall还描述了一种插车和外圆车削的“滚入法”。作为一种数控编程加工技术,该方法在刀片退出插切时引入了一个半径。“这是保持刀片与工件接触而不会向一个不同的方向突然运动的另一种方式。比如说,刀片从Z轴方向插切进入,然后转向X轴方向,并沿着X轴移动切削,这将使刀片承受很大的切削压力。为了减小作用于刀片上的压力,我们在此采用了一个转弯半径。”
    此外,机床操作者也可以改变圆刀片的切入角以减小切屑厚度。Gardner说,“我们总是希望减薄切屑。当通过改变切入角减薄切屑时,我们就能提高生产率,减少产生的切削热。切削产生的热量越多,摩擦越厉害,工件材料反射回刀具的热量也越多,将导致刀片烧伤。当然,避免刀片过热烧伤并不意味着过于保守地使用圆刀片。
    圆刀片不能切削小半径转角,也不适合加工复杂轮廓,但它具有比其他任何形状刀片更高的强度,可用于大进给切削。通过采用适当的前角和合理的切削策略,圆刀片在完成车削高镍合金材料(用于加工在极端环境下工作的飞机喷气发动机零件和油田井下零件)的困难任务中将会有卓越的表现。
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