适用于车削高温合金的刀片

2011-09-14山特维克可乐满

世界制造技术与装备市场 2011年5期

山特维克可乐满

车削高温合金的加工方法有多种， “加工方法”往往成为关键字。高温合金材料对机床的要求可能是最高的。切削刀具和应用知识的发展有助于改善高温合金工件的车削性能和加工结果。新研发的独特的刀具材料与切削槽形的组合在这一方面有了新的发展。

一、挑战可加工性

高温合金(HRSA）在高温下有很高的强度，这种性能使其作为零件材料颇具优势，但是由于其机械负荷高，切削时刀刃上存在大量切削热，可加工性很差，因此对机床的要求很高。典型高温合金材料的实际切削力(是直接衡量切削材料难以加工程度的一种标准），几乎是典型钢材切削力的两倍。镍基、铁基或钴基合金都具有其独特的性能，可用于航空航天、能源和医疗行业，其性能只有接近其熔点温度时才有较大改变。但从可加工性方面来看，这也意味着：所需功率更高；需要超稳定的加工工况；对切削刃的要求很高；优化的冷却液应用；在应用中选择最适合的刀具。

切削刃受到高应力、高应变和高热量的组合影响时，很容易生成有害的磨损。很大的压缩力和剪切力会作用于切削刃上，使其容易受到破坏性的影响。更为糟糕的是，高温合金材料加工表层易于硬化，这可能会引起其他类型的磨损，导致在零件上形成过多毛刺，并使后续的工序变得更加困难。

在加工高温合金材料时，切削速度是有限的，因此，加工时必须保持远低于大多数工件材料的切削速度。在加工高温合金材料时，要综合考虑切削参数：速度、进给量和切削深度，这些切削参数直接决定一个工序是否能顺利完成。

二、切削刃的选择对加工效率的影响

影响高温合金材料切削作用的首要因素就是切削刃加工工件的方法。结合刀片槽形，切削刃的进入角是获得高刀具性能、长使用寿命、高安全性和理想加工结果的决定因素。通常会根据切削要求选择刀片形状，但事实上，采用小的进入角有助于提高刀具性能和寿命，这绝对是应用中很重要的组成部分。因此，刀片材质的选择部分与进入角的大小有关。除此之外，进入角还影响磨损类型，主要是沟槽磨损，其沟槽大小会影响到加工结果，导致刀具过早失效。了解了正确的应用方法，也意味着可以选择能实现更高生产效率的刀片材质。

圆形刀片具有最强壮的切削刃，通过改变切深，主偏角是变化的，当然，切深要合理，最大深度达刀片直径的四分之一。为达到更大切削深度，最好使用具有恒定的45°进入角的方形刀片。对于较小的切削深度，精加工时切削深度不是问题，可提高进给率，以获得足够厚的切屑，同时可提高生产效率。一般来说，对于精加工而言，刀尖半径应总是尽量要大些。为了尽可能减少沟槽磨损趋势，应该考虑到在进刀或转角处刀片的滚动动作的编程问题。此外，为进一步均匀分配切削刃上的载荷，坡走和多次走刀是非常有利的。

对于车削工序，如车削进入拐角，使用菱形80°刀片是很理想的，可通过使用带有特殊倒角拐角的刀片限定进入角。山特维克可乐满已经开发出了专用于高温合金车削的Xcel型刀片。与圆刀片相比，该类刀片在有限空间内具有较好的可达性和较大的进给量，其进入角可以尽可能减少沟槽磨损，同时提供均匀的切屑厚度和较低的径向力。如图1所示，通过这种方法，Xcel型刀片提供了具有93°刀具的可达性优势和45°进入角优势的解决方案，其切削深度适用于半粗加工工序。

图1

三、专用刀具材料的必需性

根据高温合金材料的特定需求，刀片材质和槽形需要搭配使用。切削刃必须具有较高的硬度、适当的韧性和充分的涂层粘合性。加工这种材料的可转位刀片要具有以下特性：正前角刀片槽形、锋利但强壮的切削刃，以及相对开放的断屑槽。

刀片材质的选择会受到车削工序类型——粗加工、半精加工或精加工的影响，同时受到工况和切削类型的影响。由于高温合金材料硬度的影响，在选择刀片材质时，必须始终考虑切削刃塑性变形这一主要风险(沟槽磨损主要受到进入角和切削深度的影响）。在刀片形状已确定，选择刀片材质时，应首先判断是连续切削还是间断切削，因为这涉及到刃口强度问题和切削负荷。

车削根据所处工艺阶段和工件类型(锻造件、铸造件或棒材）的不同而有所变化。三个工艺阶段包括：第一阶段的粗加工，中间阶段的半粗加工/半精加工，以及最终阶段的精加工。为满足工序和工件的不同需求，山特维克可乐满已经开发出了专用于高温合金材料的新型刀片材质系列。

四、刀片材质——优化后的正确选择

按照惯例，刀片材质的选择通常基于所涉及的是粗加工还是精加工工序，当然这只是高温合金车削考虑的其中一个方面。在高温合金车削中，塑性变形作为一种磨损形式，始终是一个存在的风险，需要改善刀片材质来避免或减小。另一方面，沟槽磨损作为另一种主要磨损形式，它主要由进入角的大小和所用刀片的形状来决定。因此，材质选择在很大程度上基于刀片形状。沟槽磨损可通过选择最适当的刀片形状得到极大的改善。如图2所示，切削刃上较高的压力和切削温度可导致塑性变形。选择正确的刀片材质，对于缩短刀具使用寿命和安全性所面临的威胁而言至关重要。

针对具体的某一领域或者事物而言，本体是在领域中对概念、对象和关系的表达，具体包含了每一个概念的相关属性，包括属性的限制条件等，类似于程序设计时的类的概念。本体通过捕获相关领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的术语，从不同层次的形式化模式给出这些术语和术语之间相互关系的明确定义，通过概念之间的关系来描述概念语义[5]。这里出现了语义的概念，下面有必要就语义进行说明。

硬质合金材质的优点在于它可以实现耐磨性和韧性之间的平衡。因此，用于高温合金材料车削的硬质合金材质为具有较高热硬度和良好韧性的细晶粒涂层刀具。GC1105是首选的通用型材质，可用于所有三个加工阶段，以及当进入角较大时(例如在必须使用80°或55°刀片，但进给量适中时）同样表现优异。

图2

中间加工阶段、最终加工阶段及切槽工序，通常需要一个更加有力的备选方案。该方案可以为更苛刻和不稳定的工序提供高稳定性。GC1115和GC1125材质将有助于尽可能减少与切屑撞击和沟槽磨损相关的问题。当需要利用有关刀片整体韧性的其他方案来优化粗加工工序时，可以选择使用非涂层材质，例如H13A。

精加工期间需要有较高的热硬度和较好的热障。SO5F材质经过优化，适用于45°进入角，且是使用方形或圆形刀片的最终加工阶段的理想材质。该材质主要是为了优化精加工中的生产效率而开发，同样，与破损后的刀片加工进行对比，新刀片的加工能够提供非常一致的材料变形深度和残余应力轮廓。

如图3所示，有关高温合金材料切削方法的部分问题涉及刀具路径的编程。进刀、退刀、仿形加工、拐角车削、肩部和凹窝都是详细加工策略的一部分。

陶瓷刀片材质可以在高温合金的粗车工序中实现很高的生产效率。其应用与硬质合金材质的应用有很大的不同，较高的耐热磨损性允许其可使用较高的切削速度。但是，较低的韧性使其易于产生破坏性的磨损。陶瓷材质需要正确的刀具路径和进刀/退刀，且用于特定的切屑厚度范围内。它们也需要特定的切削刃，以利用适当的加工方法——理想情况下是使用圆形或方形刀片，以45°进入角加工。

图3

在正确应用中，陶瓷材质的切削速度是硬质合金的几倍。它与圆形刀片的强度形成了有效组合，可以提高生产率。赛阿龙陶瓷材质CC6060适用于长时间连续加工，以及采用优化编程技术进行的仿形加工和型腔加工，圆弧切入和圆弧切出拐角如图4所示。

图4

两种新型赛阿龙陶瓷材质适用于半精加工到粗加工，在开始和中间阶段切削时可获得极高的生产率。赛阿龙陶瓷是氮化硅陶瓷和氧化铝陶瓷的混合体，在要求苛刻的工序中，可提供最佳的化学稳定性，以降低沟槽磨损。在正确应用时，陶瓷的切削速度是硬质合金材质的好几倍。陶瓷材质的高速和圆刀片的高强度组合可以提高生产率。

赛阿龙陶瓷材质CC6060适用于较长的切削长度，在编程中采用圆弧切入和圆弧切出的优化编程方式，所以它还适用于仿形加工和型腔加工。该材质具有较强的抗沟槽磨损性，且更适用于预加工的工件。对于粗加工而言，赛阿龙材质CC6065具有更好的整体韧性，在重型粗加工和插车(例如在凹窝、拐角以及沿着肩部）中具有较高的稳定性。在粗加工阶段，该材质可通过较高进给率提高生产效率，并适用于锻造黑皮、氧化皮和椭圆形的工件。

另一种陶瓷材质CC670是经过碳化硅晶须加强的刀片材质，其中碳化硅晶须在刀片主体材料内随机排列。这些刀片尤其适用于高温合金材料和硬材料的高速加工，其加工安全性高主要取决于其切削刃的高韧性。与传统的陶瓷材质相比，CC670主要具有较高的强度，适合对具有椭圆表面和圆形表面氧化皮的锻造工件进行车削，这在第一个加工阶段经常遇到。

五、刀片形状——刀片槽形的选择

新槽型系列适用于0.2～10mm的切削深度，其设计主要是为了控制切屑形成，使作用于切削刃上的压力降低。如图5所示，新型ISO-S刀片槽形系列主要应用于0.2～10mm的切削深度。在切屑形成可被控制且切削刃压力较低时，可以预测刀具寿命。除了圆形刀片的RO槽形之外，用于普通车削的新型S槽形双面刀片，使加工安全性上了一个新的台阶，并能满足对表面质量的高要求。

图5

在半精车和中等车削中，SM槽形通常是首选。在中间加工阶段应用广泛，刃口锋利且切屑控制好，对于长时间连续加工性能表现优异。在中等到轻载粗车中需要更好的刃口强度，主要原因是在连续加工中伴随断续、锻造或铸造黑皮，刃口韧度更高的SMR槽形可提供仅次于圆形刀片的最佳切削刃强度和进给能力。

在对高温合金工件进行精加工时，有两种S槽形可供选择。其中SGF用于半精加工至精加工，可提供最锋利的切削刃、圆滑过渡刃线和最低的切削力，因此具有较高精度和很高的表面质量；对于半精加工和精加工，SF槽形加工精度高，被加工表面质量好，且具有良好的切屑控制能力。由于该槽形刃口锋利，所以在切深较小、长时间的连续加工中表现良好。