加工高硬度材料的刀片涂层铣刀

加工高硬度材料的刀片

加工高硬度材料的刀片 2011： 高硬度钢、硬粉末金属、超耐热合金以及双金属材料在工业中的应用越来越广。用这些材料制作的产品几乎坚不可摧，同时也给人们带来了新的难题：怎样才能以最经济的方式将这些材料加工成最后的产品。令人欣慰的是刀具供应厂家在开发铣削和车削加工高硬度材料的刀片方面有了新的进展。目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、聚晶氮化硼（CBN）、以及聚晶金刚石（PCD）材料的刀片都得到了应用。这些先进材料制成的特殊形状的刀片，表层附着的特殊涂层在加工时可以承受机械冲击和磨损时产生的热量。但是，使用这些刀片时还需要其他外部条件，其中之一就是需要经验丰富的刀具供应商的密切配合。

图1：CBN刀片经过强化、导角，在加工硬度超过50RC的材料时，可以防止刀刃崩刃

刀片的费用相对较低，硬质合金刀片的成本约占总加工费用的3%，CBN刀片占到5-6%，所以使用便宜的刀片是一种错误的节约方式。采用先进材料的刀片可以在短期内收回投资，且废品率很低。另一方面，在一副大铣刀上装上刀片未必就是一个代价昂贵的错误。CBN刀片的费用是硬质合金刀片的8-10倍。在使用这些先进材料的刀片时，如果切削速度和进给量不正确，将影响产品质量和刀具寿命。因为实现库存储备困难，选择合适的刀片需要正确评价加工效益及整个工艺过程。物有所值从整个加工过程来看，如果考虑调校和更换刀片的时间的话，即使使用费用较低的硬质合金刀具来满足公差和表面精度要求，那么这笔费用也是昂贵的。只有对生产能力、加工周期以及刀片性能综合协调，才能最终形成真正的加工能力。有一个很好的例子，在一次专门的小批量加工中，使用涂层硬质合金刀片，成功的对一个烧结碳化钡燃气涡轮叶片进行铣削加工。在切削速度为120sfm时，只用5-10分钟就完成了切削。在高硬度材料的大批量加工中，15-30分钟的刀片寿命是可以接受的。但对于小批量工件，较短的刀具寿命和经常性的更换刀具并不是主要缺陷。然而，在满负荷生产中延长刀片寿命变得很重要，这样可以减少换刀时间、换刀人员、提高机器利用率和生产力。现在硬质合金刀片可以很好加工涡轮叶片，如果加工量很大时，就应采用硬度更高、费用更昂贵的CBN刀片。使用先进材料刀片进行加工必须选取正确的进刀深度和切削速度。CBN刀片经过强化、导角，在加工硬度超过50RC的材料时，可以防止刀片崩刃。尽管CBN刀片刚性和韧性都很好，但仍需要修正切削机床的参数以保证加工精度的要求，切削速度偏差超过10%就会对加工效果产生很大的影响。如果你需要加工高硬度材料，请考虑与你的刀具供应商联系，他们可以根据其他用户解决类似问题的经验为你提供解决方案。如果需要作试验，反复试验通常从硬质合金刀片开始，再逐步试用理度较高且较贵的刀片。现代刀片几何学、高刚性刀柄以及精确的加工程序使价格较低的硬质合金恨片能够胜任艰巨的切削工作。如果不使用硬质合金刀片，则需要根据具体情况选择其它刀片，但种类繁多的材料还是会给加工造成很大困难。

图2：一些硬度达到60RC的材料中的碳化物颗粒的硬度达到90RC，在加工这些材料时，涂层硬质合金刀片易受磨损

硬化钢合金钢在各领域应用很广，其硬度正在逐步提高。以前工具钢的硬度一般是45RC，现在，经淬火处理的钢材硬度达到63RC的情况在模具制造业中已很普遍。模具厂家以前都是在热处理以前进行切削，现在为避免热处理引起的变形，必须在热处理硬化后对高硬度工具钢进行精加工。在对高硬度合金进行铣削加工时，产生的热量和压力会导致塑性变形而加速刀片磨损。尽管如此，仍可以经济地用硬质合金刀片加工高硬度钢。比如在航天工业的加工中，一家专业航天器材制造商在一块大的300M-4340改良型锻造硬化钢上重镗孔时，转而使用Sandvik GC1025硬质合金刀片。大部分金属材料都是在热处理以前，硬度为30-32RC时进行加工的，然而，为了修正变形，必须对大工件上精密度要求高的孔进行复镗，这时材料硬度高达54-55RC。因为工件较厚，给加工增加了难度，需要对其重复镗三次才能达到公差要求和表面精度要求。在第一次镗孔还没完成时，就因为金属陶瓷刀具破损而中断了。这给我们一个警示：破损的刀刃有可能毁坏整个工件。相反，拥有坚硬的PVD涂层和锋利刀刃的先进的精细的硬质合金刀片，可以持续进行6-9次切削。为了使用硬质合金刀片，供应商推荐将切削速度从300sfm降低为175sfm,但仍保持相同的切削深度。用硬质合金刀片以低切削速度进行三次镗孔加工耗时80分钟左右，而陶瓷合金刀具加工时间为一个小时。更重要的是，其附加的安全刀刃将因刃口破损而损伤贵重工件的可能性降到最小。 为找到用硬质合金刀片铣削高硬度钢材的合适的加工参数，切削速度一般从100sfm开始试验。试验性切削的速度可以由150sfm逐渐增加到180sfm。通常进给速度为0.003-0.004英寸每齿。对于刀片的几何外形，零角度或微小的负前角刀片比正前角刀片的刃口强度高。圆形硬质合金刀片在加工高硬度材料时同样有优势，这是因为没有容易产生应力集中的尖角。在选择硬质合金刀具时，主要考虑其强度等级。安全性高的刃口可以承受很大的径向切削力，以及刀片接触和离开高硬度钢时产生的冲击。另一方面，这些经过特别处理的抗高温材料可以承受加工硬度达60RC的钢材时产生的热量，附有氧化铝涂层的抗冲击硬质合金刀片也能承受铣削时产生的高温。烧结金属由于粉末冶金技术的进步，出现了应用渐广的高硬度烧结金属。一家生产商开发了一种含有钨、碳化钡的镍粉合金，其硬度可以达到53RC-60RC。在镍合金的矩阵结构中的碳化物颗粒硬度高达90RC。在加工这些材料时，涂层硬质合金刀片的刃面很快磨损，最初的刃口被磨平，这是由于显微结构中的超硬颗粒产生的细微振动会加速刀片的磨损。在加工这种高硬度材料时，硬质合金刀片也可能受剪切力而破碎。CBN刀片提供了一种效率很高的加工含有钨和碳化钡的高硬度粉末金属的方法，其先进的几何形状可以克服细微振动。一位加工粉末合金的用户发现，使用CBN刀片比最好的硬质合金刀片的寿命要长2000倍。用一个有五块刀片的平面铣刀，以200sfm的切削速度和0.007英寸/齿的进给速度加工高硬度工件，结果比电火花加工的速度要快75%。要充分利用CBN，切削参数必须保持在严格的范围：切削速度160sfm,进给速度0.004-0.006英寸/齿，看起来有点慢，但对于加工烧结金属来说，已经是高的加工效率了。精确的加工参数最好通过30-60秒的试切来确定。先从低速开始，再逐渐加速，直到切削刃出现过多磨损，这样才能取得最好的临界值。 加工高硬度金属时，通常是干式加工，主要是为了保证切削刃的等温性。在大多数情况下，带有双负前角的圆形刀片是效率最高的，这时切削深度限制在0.04-0.08英寸以内。由于铣削不是连续加工，在加工洛氏硬度超过60或更高的材料时，产生的持续不断的冲击会造成独特的加工应力。因此机器和刀具必须保持最大的刚度，最小的外伸悬臂，以及最大的强度，以便于承受在加工中产生的冲击载荷。超耐热合金航天工业中开发的超耐热合金(HRSAs)越来越多的应用到了汽车工业、医疗机械、半导体、以及电站设备等方面。常见的超耐热合金有Inconel 718、625、 沃斯帕洛伊合金、钛6Al4V，现在又增添了钛合金以及铝镁合金。所有的这些材料都给加工增加了难度。

图3：圆形硬质合金刀片在加工高硬度材料时同样有优势，因为没有尖角结构，所以有很高的强度

超耐热合金的硬度很高，一些钛金属的硬度高达330布氏硬度。使用传统的金属刀具，在切削带温度将高达2000°F，将会弱化分子间的约束力，形成金属流动层。而如果用超耐热合金刀具，在整个切削过程中，刀具将一直保持硬度不变。超耐热合金在加工时也会产生加工硬化现象，会导致刀片过早失效。加工超耐热合金的难度是多方面的，未剥落的材料被磨蚀剂覆盖，其锋利的边缘甚至会更快地磨损刀片的切削刃。考虑到这些切削困难，加工超耐热合金时一般速度较慢。比如用Sandvik GC2040型刀片加工Inconel 718材料的刹车零件时，切削速度为200 sfm；用Sandvik 7020 CBN 刀片加工同种金属时，切削速度调整为260 sfm。而用无涂层的硬质合金刀片切削工具钢时，速度为400 - 800 sfm。加工超耐热合金所采用的进刀量与加工工具钢的差不多。选择加工超耐热合金的刀片时主要考虑材料和工件。正前角硬质合金刀片用来加工超耐热合金材料的薄壁工件效率很高。但是，加工厚壁工件时，需要负前角的金属陶瓷刀片，因为这种刀片的切削效率要高一些。在大多数高硬度加工中采用干式加工以保证切削刃的同温性，而钛金属的加工，即使是很慢的切削速度也需要采取冷却措施。加工中超耐热合金的不断硬化将加速切削刃刃尖的磨损。没有尖角的圆形刀片，它的切削刃强度很高，但超耐热合金的加工硬化现象会导致刀刃产生缺口。连续加工中改变切削深度，可以避免形成加工硬化带，防止刀具产生缺口，延长刀具寿命。吃刀深度可以这样变化：第一次0.3英寸，第二次0.125英寸，第三次0.1英寸。双金属材料双金属元件是将硬度较高的材料放在易磨损区域，其它区域为较软的金属。这种方式在汽车工业和其它一些领域应用很广，但同时也给加工带来了困难。CBN切削硬度大于50RC的材料时效率很高，但如果切削较软的金属的话，反而会破碎。PCD刀片可以加工象铝金属，但用来加工铁类金属时，却会产生过多磨损。要高效的加工双金属工件，需要对用户、刀具供应商、设备供应商提供的加工程序进行调整。有这样一个例子，前文提到的高硬度粉末合金，通过高温等静压机压制在价格较低的316不锈钢底层上。通过编程将螺旋形走刀路径输入机床，并选用最优的进刀量和切削速度，首先加工粉末合金，然后再加工其底层金属。这样可以避免上述问题的发生。为了提高双金属汽缸体的加工效率，汽车制造商必须解决好如何加工研磨铝合金与铸铁的汽缸衬垫的问题。这种结构的设计意味着，硬度较高的铸铁耐磨区不可能与较软的铝金属完全隔离。但是我们可以通过机床程序选择很低的切削速度和很浅的吃刀深度来解决这一问题，这样我们可以只用抗磨的PCD刀片就能加工铝层和铸铁层，而不需要频繁的更换切削刀具。