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高速加工对硬质合金刀具的要求

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-10-11    浏览次数:13

硬质合金刀具随着数控机床和加工中心等高效设备应用日渐普及,在航空航天、汽车、高速列车、风电、电子、能源、模具等装备制造业的空前发展推动下,切削加工已迈入了一个以高速、高效和环保为标志的高速加工发展的新时期—现代切削技术阶段。

 

高速切削、干切削和硬切削作为当前切削技术的重要发展趋向,其重要地位和角色日益凸显。对这些先进切削技术的应用,不仅令加工效率成倍提高,亦着实推动了产品开发和工艺创新的进程。例如,精密模具硬质材料的型腔,采用高转速、小进给量和小吃深加工,既可获得很高的表面质量,又能够省却磨削、EDM和手工抛光或减少相应工序的时间,从而缩短生产工艺流程,提高生产率。

 

过去一些企业制作复杂模具时,基本上都需要3~4个月才能交付使用,而现在采用高速切削加工後,半个月便可完成。据调查,一般的工模具,有60%的机加工量可用高速加工工艺来实现。

 

高速加工时,不但要求硬质合金刀具可靠性高、切削性能好、能稳定地断屑和卷屑、还要能达成高精度,并能实现快换或自动更换等。因此,对硬质合金刀具材材料、刀具结构、以及刀具的装夹都提出了更高要求。

 

对硬质合金刀具材料的要求:

高速加工对硬质合金刀具最突出的要求是,既要有高的硬度和高温硬度,又要有足够的断裂韧性。为此,须选用细晶粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它们各有特点,适应的工件材料和切削速度范围也都不同。例如,高速加工铝、镁、铜等有色金属件,主要采用PCDCVD金刚石膜涂层刀具。高速加工铸件、淬硬钢(50~67HRC)和冷硬铸铁主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。

 

1.硬质合金刀具材已迈入细晶粒超细晶粒阶段

涂层硬质合金刀具(TiNTiCTiCNTiAlN)虽其加工工件材料范围广,但抗氧化温度一般不高,所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范围内加工钢铁件。对於Inconel718高温镍基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。据报道,加拿大学者用SiC晶须增韧陶瓷铣削Inconel718合金,推荐最佳的切削条件为:切削速度700m/min,吃深为1-2mm,每齿进给量为0.1-0.18mm/z

 

目前,硬质合金已进入细晶粒(1-0.5μm)和超细晶粒(<0.5μm)的发展阶段,过去细晶粒多用於K(WC+Co)硬质合金,近几年来P(WC+TiC+Co)M(WC+TiC+TaCNbC+Co)硬质合金也向晶粒细化方向发展。

 

以往,为提高硬质合金的韧性,通常是增加钴(Co)的含量,由此带来的硬度降低如今可以通过细化晶粒得到补偿,并使硬质合金的抗弯强度提高到4.3GPa,已达到并超过普通高速钢(HSS)的抗弯强度,改变了人们普遍认为P类硬质合金适於切钢、而K类硬质合金只适於加工铸铁和铝等有色金属的选材格局。

 

采用WC基的超细晶粒K类硬质合金,同样可加工各种钢料。细晶粒硬质合金的另一个优点是硬质合金刀具刃口锋利,尤其适於高速切削粘而韧的工件材料。以日本不二越公司开发的AQUA麻花钻为例,其用细晶粒硬质合金制造,并涂覆耐热、耐摩擦的润滑涂层,在高速湿式加工结构钢和合金钢(SCM)时,切削速度200m/min,进给速度1600mm/min,加工效率提高了2.5倍,刀具寿命提高2倍;干式钻孔时,切削速度150m/min,进给速度1200mm/min

 

2.涂层提升到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段

 

现如今,涂层已进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段,新开发的TiCNTiAlN多元超薄、超多层涂层(有的超薄膜涂层数可多达2000层,每层厚约1nm)TiCTiNAl2O3等涂层的复合,加上新型抗塑性变形的基体,在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层的耐磨性方面有了重大进展,全面提高了硬质合金刀具材的性能。

 

硬质合金材涂层刀具已成为现代切削硬质合金刀具的标志,在刀具中的使用比例达到60%。涂层硬质合金刀具的产品现已呈现品牌化、多样化和通用化的趋向。例如,德国施耐尔(Schnell)公司用纳米技术推出的一种超长寿命LL涂层立铣刀,用其加工零件硬度超过70HRC淬硬模具钢材时,硬质合金刀具材寿命可延长2-3倍。

 

特别值得强调的是,近几年发展起来的在硬质合金表面涂覆金刚石的技术,使硬质合金刀具不仅在黑色金属领域,而且在有色金属领域中的切削效率获得了全面提高。由此可知,硬质合金今後仍将是制作高速加工刀具的主要基体材料。

 
 
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