陶瓷刀具在精密軋輥硬車削加工中的應(yīng)用*

趙良勤 劉憲春

（河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)工業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042）

精密軋輥（圖1）主要用于軋制冷凝管，材料為Cr12Mo V，淬火硬度為55～58 HRC，屬于淬硬鋼。對于這種高硬度的淬硬工件，采用傳統(tǒng)的車削技術(shù)根本無法加工，通常采用的加工工藝是磨削。而在實(shí)際生產(chǎn)中，我們通過使用陶瓷刀具在全功能數(shù)控車床上對精密軋輥進(jìn)行快速硬車削加工，實(shí)現(xiàn)了以車代磨，并且加工精度高，加工效率提高5～10倍，取得明顯經(jīng)濟(jì)效益。

1 硬車削及其加工優(yōu)點(diǎn)

硬車削是指用車刀對淬硬鋼（54～63 HRC）進(jìn)行的切削加工。通常，工件在熱處理淬硬之前就已完成了粗加工工序，只有精加工是在淬硬狀態(tài)下進(jìn)行。隨著硬車削加工技術(shù)的發(fā)展，硬車削在實(shí)際加工中取代磨削已成為可能。硬車削與傳統(tǒng)的磨削相比，具有以下加工優(yōu)點(diǎn)。

（1）硬車削的加工效率高。車削時(shí)一次裝夾可完成多個(gè)表面的加工，而磨削則需要多次裝夾。硬車削相對磨削來說，可以采用大背吃刀量和較高的工件轉(zhuǎn)速。因此，去除同樣體積的材料，硬車削具有比磨削更高的加工效率，加工能量消耗是磨削的1/5，金屬切除率是磨削加工的3～4倍。

（2）硬車削是綠色制造工藝。大多數(shù)情況下硬車削無須冷卻液，而磨削必須使用冷卻液。由于磨削加工產(chǎn)生的廢液和廢棄物越來越難以處理和清除，對環(huán)境污染極大。硬車削時(shí)，切削區(qū)的高溫使工件材料退火變軟，切屑容易形成，工件加工表面沒有燒傷或裂紋。形成的切屑干凈清潔，回收處理容易。它是一種環(huán)境污染小、資源占用率低的“綠色”加工技術(shù)。

（3）硬車削的設(shè)備投資少，適合柔性生產(chǎn)要求。在生產(chǎn)率相同時(shí)，車床是磨床成本的1/3～1/2，占地面積小，輔助系統(tǒng)費(fèi)用低。磨床則需要水槽、切削液、過濾器等輔助系統(tǒng)。車削本身是一種加工范圍廣的柔性加工方法，可配備多種刀具轉(zhuǎn)盤、刀庫等以實(shí)現(xiàn)兩種不同零件之間的加工轉(zhuǎn)換，現(xiàn)代CNC車床尤其適合硬車削。因此對多品種、計(jì)劃多變、交貨期短、生產(chǎn)批量小的柔性化生產(chǎn)，車削比磨削更能顯示出其優(yōu)越性。

（4）硬車削可使零件獲得良好的加工表面質(zhì)量和整體加工精度。由于硬車削一次裝夾可加工多個(gè)表面，因此其加工位置精度高。硬車削產(chǎn)生的大部分熱量被切屑帶走，不會(huì)產(chǎn)生磨削加工中那樣的表面燒傷和裂紋，因而硬車削比磨削具有更優(yōu)良的加工表面質(zhì)量，以及整體加工精度。

2 陶瓷刀具

實(shí)現(xiàn)硬車削的難點(diǎn)是刀具，它是使硬切削加工得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。目前，陶瓷刀具在機(jī)械加工中發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是在干式硬車削技術(shù)出現(xiàn)后，對陶瓷刀具提出了更高的要求。

2.1 陶瓷刀具的切削性能特點(diǎn)

（1）陶瓷刀具具有很高的硬度與耐磨性。一般硬質(zhì)合金刀具的硬度在90～93 HRA，而陶瓷刀具的常溫硬度達(dá)92～95 HRA。由于其硬度高，所以耐磨性有較大提高，刀具耐用度比硬質(zhì)合金高幾倍。

（2）具有很高的紅硬性。一般硬質(zhì)合金刀具在溫度為800～1 000℃時(shí)，其硬度將有一個(gè)突然降低的階段，而陶瓷刀具的硬度隨溫度的升高變化很小，即使在1 200℃時(shí)，硬度仍達(dá)80 HRA。

（3）很高的化學(xué)穩(wěn)定性。其抗氧化溫度為1 750℃，而硬質(zhì)合金為800℃，高速鋼僅為550℃。

（4）它與金屬的親和力極小。即使在熔化溫度下與鋼也不相互反應(yīng)，具有良好的抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散、抗氧化磨損能力；有較低的摩擦系數(shù)，減小切削力，得到良好的表面粗糙度。

（5）抗彎強(qiáng)度較低。純氧化鋁可以耐非常高的溫度，但是它的強(qiáng)度和韌性很低，工作條件如果不好，容易破碎。

由于陶瓷刀具的紅硬性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于硬質(zhì)合金和高速鋼，韌性和強(qiáng)度高于CBN，所以比較適用于淬硬鋼的硬車削加工。

2.2 硬車削對陶瓷刀具的性能要求

干式硬車削由于不使用切削液，因此要求陶瓷刀具有更高的性能，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）陶瓷刀具材料應(yīng)具有優(yōu)良的紅硬性和耐磨性。干式切削的切削溫度通常比濕式切削高得多，紅硬性高的刀具材料才能有效地承受切削過程的高溫，保持刀具的良好耐磨性。

（2）陶瓷刀具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和耐沖擊能力。干式切削的切削力比濕式切削要大，并且干式切削的切削條件差，故刀具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和耐沖擊性。

（3）陶瓷刀具材料應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)。降低刀具—切屑和刀具—工件表面之間的摩擦系數(shù)，在一定程度上可彌補(bǔ)切削液的潤滑作用，抑制切削溫度的升高。

（4）陶瓷刀具應(yīng)具有合理的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)。合理的刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，不但可以減小切削力，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，降低溫度，而且還能斷屑或控制切屑流動(dòng)方向。

2.3 提高陶瓷刀具切削性能的途徑

為了提高硬車削加工中陶瓷刀具的強(qiáng)度和韌性，降低陶瓷對破碎的敏感性，一般在其相變、熱壓和成分等方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1）晶須增韌

晶須對提高陶瓷刀具的韌性能起到很好的作用。生產(chǎn)中以SiC、Si3N4作為晶須居多，SiC晶須具有一定的纖維結(jié)構(gòu)，平均直徑0.6μm，長度為20～80μm，在Al2O3基體中添加一定比例的SiC晶須時(shí)，形成“晶須增韌陶瓷”，其斷裂韌性提高2～5倍，而且可有效地防止產(chǎn)生積屑瘤，相當(dāng)程度地增加了陶瓷的韌性、強(qiáng)度和抗熱沖擊性能。在Al2O3基體中添加20%～30%的晶須時(shí)，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性最好，效果最佳。

（2）通過抑制劑來細(xì)化晶粒

加入MgO作為抑制劑來抑制陶瓷晶粒的增長，可以提高其強(qiáng)度和韌性。陶瓷刀片在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，存在晶粒長大現(xiàn)象。為遏制晶粒長大，常在陶瓷粉中加入MgO作為抑制劑。

（3）加入添加劑

加入氧化鋯或碳化鈦與氮化鈦的混合物可改善其韌性，提高耐沖擊性能。盡管加入了這些添加劑，但是其韌性比硬質(zhì)合金還是低得多。

3 陶瓷刀具在精密軋輥硬車削加工中的應(yīng)用

以圖1所示精密軋輥為例，論述陶瓷刀具在精密軋輥硬車削加工中的具體應(yīng)用。

3.1 刀具的選用

陶瓷刀具有高硬度（91～95 HRA）、高強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度為750～1 000 MPa）、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、良好的抗粘結(jié)性能、摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉。使用正常時(shí)，耐用度極高，車削速度較硬質(zhì)合金提高2～5倍，特別適合于高硬度材料的加工、精加工以及高速加工，加工硬度達(dá)62 HRC的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵。常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷。氧化鋁和氮化硅刀片又分普通陶瓷和晶須陶瓷。近年來通過大量的研究、改進(jìn)和采用新的制作工藝，陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度和韌性均有了很大的提高。國產(chǎn)氮化硅陶瓷刀具完全能勝任高硬度精密軋輥的硬車削加工，且價(jià)格便宜。依據(jù)機(jī)床性能，工件加工的工藝性能等要求，我們選擇了抗彎強(qiáng)度高的氧化鋁晶須陶瓷刀具。

3.2 刀具加工機(jī)床的選用

陶瓷刀具材料對沖擊和振動(dòng)載荷比較敏感。這是陶瓷刀具材料在耐沖擊和抗振性方面的最大弱點(diǎn)。機(jī)床—工件—刀具工藝系統(tǒng)剛性弱是促使陶瓷刀具耐用度降低或引起崩刃的主要原因。其中除工件和刀具本身的剛性因素外，機(jī)床剛性愈低，則振動(dòng)愈大，而刀具耐用度也就愈低。實(shí)踐證明，適于陶瓷刀具加工的機(jī)床必須具有良好的剛性、足夠的功率和高的轉(zhuǎn)速。我們使用MJ460全功能數(shù)控車床進(jìn)行加工，主軸采用變頻調(diào)速，卡盤、尾座均采用液壓驅(qū)動(dòng)，數(shù)控系統(tǒng)為FANUC—0TD，具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、刀具補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償?shù)裙δ?。?jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，無論是機(jī)床的剛性，還是機(jī)床的加工精度，均能滿足陶瓷刀具的精加工的要求。

同時(shí)，刀具、工件、夾具也應(yīng)有足夠高的剛性。刀具安裝的懸伸長度要盡可能短，夾具采用剛性夾緊裝置，工件長徑比不要太大，一般限制在6∶1以內(nèi)。

3.3 刀具結(jié)構(gòu)

硬車削時(shí)采用優(yōu)化的刀片形狀及幾何參數(shù)，可減小加工中刀具與切屑間的摩擦和強(qiáng)化切削刃。硬車削時(shí)，當(dāng)?shù)毒卟牧线x定后，應(yīng)盡可能選用強(qiáng)度大的刀片形狀，同時(shí)應(yīng)選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑。各種刀具刀片形狀的刀尖強(qiáng)度從高到低依次為：圓形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。

硬車削淬硬鋼時(shí)，其切屑為紅而酥軟的鍛帶狀，脆性大易折斷，不粘結(jié)，一般在切削表面不產(chǎn)生積屑瘤，加工的表面質(zhì)量高。但淬硬鋼切削力比較大，特別是徑向切削力比主切削力還要大，所以刀具宜采用負(fù)前角（γ0≤—5°）和較大的后角（α0=10°～15°），主偏角取決于工藝系統(tǒng)的剛性，一般在30°～75°之間取值，以減小工件和刀具的振動(dòng)；刃傾角λs=0°～10°；倒棱寬度br1=0.1～0.3 mm，倒棱前角為—15°～25°；刀尖圓弧半徑rε=0.2～1.2 mm。

在該精密軋輥的實(shí)際硬車削中，刀具幾何角度K r≈8.5°，γ0=—6°，λs=5°，α0=12°，選擇FD22型圓形陶瓷刀片。其刀具結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

3.4 刀具切削用量的選擇

合理選擇切削用量是充分發(fā)揮刀具切削性能的重要因素之一。硬車削淬硬鋼時(shí)，進(jìn)給量對刀具破損影響最大，所以應(yīng)選擇較小的進(jìn)給量（f=0.1～0.3 mm/r）。較高的切削速度（80～100 m/min）可獲得酥化易碎的切屑，同時(shí)切削溫度升高可改變工件材料性能和提高陶瓷刀具韌性，減少刀具破損。硬車削精加工的適宜切削速度為80～200 m/min，常用范圍為10～150 m/min。一般情況下，切深為0.1～0.3 mm之間。加工表面粗糙度要求高時(shí)可選用較小的切削深度，但不能太小，具體數(shù)值視表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。當(dāng)表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm，硬車削比磨削經(jīng)濟(jì)得多。經(jīng)過比較，我們選用FD22型圓型陶瓷刀具，切削速度v=80 m/min，進(jìn)給量f=0.08～0.15 mm/r，切削深度ap=0.08～0.10 mm。精車后的表面粗糙度、尺寸精度均能達(dá)到要求。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)表明：采用上述方法對精密軋輥等淬硬鋼工件進(jìn)行硬車削加工，可實(shí)現(xiàn)以車代磨，并且加工效率提高了5～10倍，車削工件表面無燒傷，車削過程穩(wěn)定可靠，完全能夠滿足該零件的加工質(zhì)量要求。

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