難加工材料與合理有效使用熱熔鉆加工

目前，各種難加工材料如淬硬鋼、超硬燒結(jié)金屬、耐熱超級(jí)合金、雙金屬材料等已日益廣泛地應(yīng)用于工業(yè)零件的制造。雖然用此類(lèi)材料制造的零件可獲得優(yōu)異的使用性能，但同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)難題：如何以合理的每件加工成本實(shí)現(xiàn)零件的最終成形加工。值得慶幸的是，如今刀具供應(yīng)商已成功開(kāi)發(fā)出了各種用于銑削、車(chē)削加工難加工材料的新型切削刀片，如涂層硬質(zhì)合金刀片、金屬陶瓷刀片、CBN刀片、PCD刀片等。這些新型材料刀片采用了特殊的幾何形狀和表面涂層，具有優(yōu)異的耐磨損性能，并可承受加工過(guò)程中的機(jī)械沖擊和熱沖擊。但是，如何在生產(chǎn)中合理、有效地使用這些切削刀片，還需要與掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)的熱熔鉆生產(chǎn)刀具供應(yīng)商密切配合。
由于切削刀片的成本相對(duì)較低(一般硬質(zhì)合金刀片的成本僅占加工總成本的3%，CBN刀片占加工總成本的5%～6%)，因此，為節(jié)約加工成本而一味選用較便宜的刀片實(shí)際上可能并不劃算。新型材料刀片雖然價(jià)格較貴，但可以縮短加工時(shí)間，延長(zhǎng)刀具壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此可能具有更好的經(jīng)濟(jì)性。
另一方面，脫離實(shí)際加工需要而盲目選用新型材料刀片，也可能增大加工成本(CBN刀片的價(jià)格可達(dá)硬質(zhì)合金刀片的8～10倍)。此外，使用新型材料刀片時(shí)，如采用不正確的切削速度和進(jìn)給率，也會(huì)影響工件加工質(zhì)量和刀具使用壽命。因此，選用難加工材料切削刀片時(shí)需要正確評(píng)估加工的經(jīng)濟(jì)性和綜合考慮整個(gè)加工工藝過(guò)程。
加工經(jīng)濟(jì)性的綜合權(quán)衡
    選擇切削刀片時(shí)，需要對(duì)整個(gè)加工任務(wù)進(jìn)行評(píng)估。在可以滿足工件尺寸精度和表面光潔度要求，并考慮了加工時(shí)間和刀片更換的前提下，選用價(jià)格相對(duì)較低的硬質(zhì)合金刀片可以實(shí)現(xiàn)較好的加工經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)準(zhǔn)確了解和綜合權(quán)衡生產(chǎn)批量、加工時(shí)間和刀片性能，就能合理選用切削刀片，達(dá)到提高生產(chǎn)率的加工效果。
    以銑削加工材質(zhì)為燒結(jié)碳化鈦的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片為例，當(dāng)工件批量較小時(shí)，選用涂層硬質(zhì)合金刀片也可獲得較好的加工效果。在35m/min的切削速度下，硬質(zhì)合金刀片的切削刃壽命僅為5～10分鐘，而大批量加工難加工材料工件的合理刀片壽命一般要求達(dá)到15～30分鐘。在小批量加工中，較短的刀片壽命和較頻繁的更換刀片對(duì)生產(chǎn)率的影響并不明顯；但在大批量滿負(fù)荷加工中，較長(zhǎng)的刀片壽命對(duì)于減少換刀輔助時(shí)間、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高機(jī)床利用率和生產(chǎn)能力則具有至關(guān)重要的意義。因此，當(dāng)渦輪機(jī)葉片的加工批量較大時(shí)，選用硬度更高、價(jià)格較貴的CBN刀片可能更為合理。
為了充分發(fā)揮先進(jìn)材料刀片的切削性能，還需要選用正確的熱熔鉆使用進(jìn)給率和切削速度。以Sandvik Coromant公司的CBN刀片為例，該刀片的切削刃經(jīng)過(guò)了強(qiáng)化和鈍化處理，在切削硬度＞50HRC的工件材料時(shí)可有效避免崩刃現(xiàn)象。盡管CBN刀片韌性極佳，但對(duì)切削參數(shù)的選取仍十分嚴(yán)格，如所選切削速度高于或低于理想值的10%，則可能大大降低刀片的切削性能。
為了實(shí)施難加工材料的切削加工，可考慮向?qū)I(yè)刀具供應(yīng)商尋求技術(shù)支持，比如，株洲熱鉆公司就是專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)熱熔鉆頭廠家。刀具供應(yīng)商可基于其它相同的加工實(shí)例提供合理的解決方案。在需要進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)，通?？刹捎迷囧e(cuò)(trial-and-error)方式，即首先用硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行切削，然后換用新型材料刀片進(jìn)行對(duì)比切削，比較不同刀片的加工效果。采用先進(jìn)的刀片形狀、高剛性刀柄和優(yōu)化加工程序，通常可使價(jià)格較低的硬質(zhì)合金刀片適合于難加工材料的切削。是否需要換用新型材料刀片，則應(yīng)根據(jù)具體的加工任務(wù)及加工條件而定。對(duì)于同一大類(lèi)的難加工材料，通常在切削刀片的選用上具有一定共性。

淬硬鋼的切削加工
    目前，許多合金鋼工件對(duì)硬度的要求越來(lái)越高。過(guò)去，工具鋼的應(yīng)用硬度通常為45HRC，而現(xiàn)在模具工業(yè)使用的工具鋼已普遍要求淬硬到63HRC。為了避免熱處理變形，需要對(duì)一些過(guò)去只能在熱處理之前進(jìn)行切削加工的模具實(shí)施完全淬硬狀態(tài)下的精密銑削加工。在銑削完全淬硬鋼時(shí)，產(chǎn)生的切削熱和切削壓力可能引起切削刀片的塑性變形并使刀片迅速失效。如銑削硬度為60HRC的淬硬鋼(材料中的碳化物顆粒硬度可達(dá)90HRC)時(shí)，普通的涂層硬質(zhì)合金刀片將發(fā)生后刀面快速磨損。
銑削硬度為60HRC的淬硬鋼(材料中的碳化物顆粒硬度可達(dá)90HRC)時(shí)，普通的涂層硬質(zhì)合金刀片將發(fā)生后刀面快速磨損
    雖然淬硬鋼不易切削，但采用硬質(zhì)合金刀片仍可實(shí)現(xiàn)對(duì)完全淬硬鋼工件的經(jīng)濟(jì)性加工。以航空零部件的加工為例，某大型飛機(jī)制造企業(yè)用Sandvik公司的GC1025硬質(zhì)合金刀片替換原來(lái)使用的金屬陶瓷刀片后，成功完成了對(duì)材料為淬硬的3000M鋼(4340變質(zhì)處理)的大尺寸鍛件的二次孔加工。被加工孔的大部分加工余量已在熱處理之前(材料硬度30～32HRC)切除，但為了修正熱處理變形，這種大尺寸工件上的精密孔必須在工件完全淬硬后(硬度達(dá)54～55HRC)進(jìn)行二次切削加工。由于被加工孔位于工件深處，特殊的工件形貌使加工相當(dāng)困難，因此需要經(jīng)過(guò)三次走刀切削才能達(dá)到要求的尺寸精度和表面光潔度。高硬度的材料加上斷續(xù)切削方式，使原來(lái)使用的金屬陶瓷刀片還未完成一次走刀其切削刃即崩損失效，而崩壞的刀片可能造成工件報(bào)廢的危險(xiǎn)。換用經(jīng)PVD涂層的細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀片后，刀具的韌性和鋒銳性顯著提高，可以順利完成6～9次走刀切削。換用硬質(zhì)合金刀片后，刀具供應(yīng)商推薦將切削速度從原來(lái)的90m/min降低到53m/min，但切削深度保持不變。切削速度降低后，硬質(zhì)合金刀片完成對(duì)孔的三次走刀切削需時(shí)約20分鐘，而原來(lái)使用金屬陶瓷刀具加工則需要一個(gè)多小時(shí)。更為重要的是增強(qiáng)了硬質(zhì)合金刀片切削刃的安全性，大大減少了因刀具崩刃導(dǎo)致昂貴工件報(bào)廢的危險(xiǎn)。
    為了獲得硬質(zhì)合金熱熔鉆銑削淬硬鋼的合理切削參數(shù)，可進(jìn)行刀具切削熱熔鉆工藝試驗(yàn)。試切時(shí)，切削速度的選取通?？蓮?0m/min起，直至增加到45～55m/min；進(jìn)給率通常為0.075～0.1mm/每齒。一般來(lái)說(shuō)，采用零前角或小負(fù)前角的刀片形狀比采用正前角的刀片形狀強(qiáng)度更高。加工淬硬鋼時(shí)，采用圓形硬質(zhì)合金刀片也較為有利，因?yàn)閳A形刀片強(qiáng)度較高，且外形圓鈍的切削刃不易發(fā)生破損。
選擇硬質(zhì)合金刀片牌號(hào)時(shí)，可考慮選用高韌性牌號(hào)。此類(lèi)牌號(hào)刀片的切削刃安全性較好，可承受切削淬硬鋼時(shí)較大的徑向切削力和劇烈的切入、切出沖擊。此外，特殊設(shè)計(jì)的高溫硬質(zhì)合金牌號(hào)可以承受切削淬硬鋼(HRC60)時(shí)產(chǎn)生的大量切削熱。帶氧化鋁涂層的抗沖擊硬質(zhì)合金刀片也能抗擊銑削淬硬鋼時(shí)產(chǎn)生的高溫。
粉末合金的切削加工
    隨著粉末冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用于不同領(lǐng)域的各種超硬燒結(jié)金屬(粉末合金)材料層出不窮。如某制造商開(kāi)發(fā)了一種包含碳化鎢(WC)或碳化鈦(TiC)顆粒的復(fù)合型粉末鎳合金，其硬度達(dá)到53～60HRC，鎳合金基體中的碳化物顆粒硬度可達(dá)90HRC。銑削加工這種材料時(shí)，涂層硬質(zhì)合金刀片很快會(huì)發(fā)生后刀面磨損，主切削刃被磨損為扁平狀；材料微觀結(jié)構(gòu)中存在的超硬顆粒會(huì)引起“微振顫”，導(dǎo)致刀片加速磨損；切削工件時(shí)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力還可能造成硬質(zhì)合金刀片碎裂。
采用CBN刀片則可較好解決含碳化鎢和碳化鈦顆粒的硬質(zhì)粉末合金材料的切削加工問(wèn)題。改進(jìn)的刀片幾何形狀可以有效克服“微振顫”現(xiàn)象。某用戶銑削加工復(fù)合型粉末合金工件時(shí)發(fā)現(xiàn)，新型CBN刀片的加工壽命比最好的硬質(zhì)合金刀片提高了2000倍以上。切削試驗(yàn)表明，用安裝了5個(gè)CBN刀片的面銑刀切削加工硬質(zhì)粉末合金材料(切削速度60m/min，進(jìn)給率0.18mm/每刃)，其加工效率可比放電加工(線切割)提高75%。
為了充分發(fā)揮CBN刀片的最佳性能，必須將切削參數(shù)嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi)。雖然50m/min左右的切削速度和0.1～0.15mm/每齒的進(jìn)給率顯得并不高，但在加工粉末合金材料時(shí)卻能獲得很高的生產(chǎn)率。通過(guò)30～60秒鐘的試切，可以準(zhǔn)確地確定最佳切削參數(shù)。試切時(shí)，可從低速切削開(kāi)始，逐漸增大切削速度，直至刀片切削刃出現(xiàn)過(guò)度磨損為止。
    加工難加工材料時(shí)，為了使刀片切削刃溫度保持恒定，一般應(yīng)采用干式切削。在大多數(shù)情況下，具有雙負(fù)角幾何形狀的圓形刀具加工效果最好，且切削深度通常應(yīng)控制在1～2mm。
    銑削屬于斷續(xù)切削。加工時(shí)，硬度達(dá)60HRC或更高的工件材料對(duì)刀具持續(xù)不斷的沖擊將造成巨大的加工應(yīng)力。因此，為了在銑削加工中提供足夠高的抗沖擊能力，要求加工機(jī)床和工具系統(tǒng)必須具有最高的剛性、最小的懸伸長(zhǎng)度和最大的強(qiáng)度。
耐熱超級(jí)合金的切削加工
    為航空航天工業(yè)開(kāi)發(fā)的耐熱超級(jí)合金(HRSAs)現(xiàn)在正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、醫(yī)療、半導(dǎo)體、發(fā)電設(shè)備等行業(yè)。除了常見(jiàn)的耐熱超級(jí)合金牌號(hào)(如Inconel 718/625、Waspalloy、6A14V鈦合金等)以外，現(xiàn)在又開(kāi)發(fā)出了多種新型鈦基合金和鋁/鎂基合金牌號(hào)。所有的耐熱超級(jí)合金均屬于難加工材料范疇。
超級(jí)合金的硬度很高，某些鈦合金牌號(hào)的加工硬度達(dá)到330HB。對(duì)于普通合金而言，當(dāng)切削區(qū)溫度高于1100℃時(shí)，材料中的分子結(jié)合鏈就會(huì)發(fā)生軟化，并出現(xiàn)有利于成屑的流動(dòng)區(qū)。反之，耐熱超級(jí)合金優(yōu)良的抗高溫性能使其在切削加工全過(guò)程中均保持高硬度。
耐熱超級(jí)合金被切削時(shí)還具有冷作硬化傾向，很容易造成切削刀片過(guò)早崩刃失效。切削時(shí)，工件的被切表面會(huì)生成耐磨的冷硬鱗屑層，使刀片切削刃快速磨損。
加工淬硬鋼時(shí)，采用圓形硬質(zhì)合金刀片也較為有利，因?yàn)閳A形強(qiáng)度較高，切削刃不易發(fā)生破損
鑒于超級(jí)合金的難加工特性，加工時(shí)通常采用較低的切削速度。例如，用Sandvik GC2040牌號(hào)硬質(zhì)合金刀片銑削超級(jí)合金Inconel 718材質(zhì)剎車(chē)鍵的切削速度為60m/min；用Sandvik 7020 CBN刀片對(duì)Inconel 718進(jìn)行外圓/端面車(chē)削的切削速度為80m/min。與此對(duì)比，用未涂層硬質(zhì)合金刀片切削工具鋼的切削速度一般可達(dá)120～240m/min。切削超級(jí)合金時(shí)的進(jìn)給量通常與切削工具鋼的進(jìn)給量相當(dāng)。
    加工超級(jí)合金時(shí)，切削刀片的選擇主要取決于被加工材料和工件類(lèi)型。為了提高加工效率，加工薄壁工件時(shí)可選用具有正前角切削刃的硬質(zhì)合金刀片，而加工厚壁工件時(shí)則需要選用具有負(fù)前角切削刃的陶瓷刀片，以增強(qiáng)刀片切削時(shí)的“耕犁”作用。對(duì)于大多數(shù)難加工材料，應(yīng)首選干式切削，以保持刀片切削刃溫度恒定。但在加工鈦合金時(shí)，即使切削速度很低，也必須使用冷卻液。
    由于耐熱超級(jí)合金在切削過(guò)程中始終保持高硬度，因此會(huì)加速切削刀片端部倒圓的磨損。采用切削刃圓鈍的圓形刀片可大大提高切削刃的強(qiáng)度，但超級(jí)合金的冷作硬化傾向會(huì)導(dǎo)致片崩刃現(xiàn)象加劇。通過(guò)在連續(xù)多次走刀時(shí)改變切削深度，可使刀片避開(kāi)工件表面形成的冷作硬化層，從而減少刀片崩刃，延長(zhǎng)切削刃的工作壽命。一次走刀的切深變化量可為7.6mm，后序切削的切深變化量可為3.2mm和2.5mm。
雙金屬材料的切削加工
    雙金屬材料的構(gòu)成是將較硬的材料置于選定的易磨損部位，然后在周?chē)h(huán)繞(或混合)其它較軟的合金材料。雙金屬材料在汽車(chē)工業(yè)及其它行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)也帶來(lái)了特殊的加工難題。CBN刀片可以高效切削硬度大于50HRC的硬合金，但在切削雙金屬材料中的軟合金時(shí)卻可能發(fā)生碎裂。PCD刀片能夠切削加工耐磨鋁合金，但在切削鐵族金屬材料時(shí)則容易發(fā)生過(guò)度磨損。
為了實(shí)現(xiàn)雙金屬材料的高效加工，需要用戶、刀具供應(yīng)商和機(jī)床制造商共同開(kāi)發(fā)精確的切削加工程序。例如，某種雙金屬材料是將高硬度的復(fù)合型粉末合金通過(guò)熱均衡壓制工藝嵌入價(jià)格便宜的316不銹鋼基體中制成。加工時(shí)，需要編制螺旋插補(bǔ)刀軌程序并輸入機(jī)床控制系統(tǒng)，以優(yōu)化的進(jìn)給量和切削速度首先加工粉末合金材料部位，然后再加工基體部分。
    為了高效加工由鋁合金和鑄鐵氣缸墊組合構(gòu)成的雙金屬氣缸體，汽車(chē)制造商必須同時(shí)克服鋁合金的耐磨性和鑄鐵的高硬度。由于較硬的鑄鐵氣缸墊(易磨損部位)與較軟的鋁合金缸體難以隔離，因此不宜采用分別加工方式。但是，通過(guò)合理編制機(jī)床加工程序，采用極低的切削速度和極小的切削深度，可使耐磨損PCD刀片能夠同時(shí)加工鋁合金和鑄鐵兩種材料，從而避免了在加工過(guò)程中頻繁換刀。