新型材料在機(jī)械加工刀具中的研究與應(yīng)用

吳兆庭

摘要：在機(jī)械加工中使用的超硬材料刀具超硬材料刀具目前主要有單晶金剛石刀具，聚晶金剛石（PCD）刀具，化學(xué)氣相沉積（CVD）的金剛石刀具，聚晶立方氮化硼（PCB N）刀具等[1]。它不僅是加工高硬度材料的理想刀具，而且用超硬材料刀具替代普通刀具進(jìn)行切削，可以實(shí)現(xiàn)鑄、鍛毛坯件的高速、高效加工和/或一次性完成粗、精加工。超硬材料刀具是完全適用于高速、精密和自動(dòng)化加工的。尤其是在以車代磨、以銑代磨方面，它適用于成形、仿形及定尺寸的精密磨削，并使磨削質(zhì)量顯著提高、磨削效率得到數(shù)倍乃至數(shù)十倍的提高。它不但能防止工件表面燒傷、微裂紋、缺口、變質(zhì)層過深等缺陷，而且能提高工效、降低消耗和磨削成本。它具有高效、低耗、適應(yīng)性強(qiáng)、制造周期短等優(yōu)點(diǎn)。目前已在汽車、摩托車、航空、礦山、電子、玻璃等行業(yè)機(jī)械加工中得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械加工刀具;新型材料;提高功效;

一、在機(jī)械加工中的的應(yīng)用

首先，車削鋼件加工淬硬鋼時(shí)，超硬材料刀具能以車代磨。由于切削的深度比磨削高十幾倍，可提高效率4倍以上，加工成本下降到原來的1/ 5。用PCBN刀具精車硬度高于45HRC的淬硬鋼效果最好，切削速度一般為80～120m/min。高硬度工件切削速度宜取低值，如硬度為7 0HRC的工件，切削速度宜選60～80m/min。精車的切削深度在0. 1～0.3mm，進(jìn)給量在0.05～0.025mm/r，加工表面粗糙度為Ra0.3～0.6μm，尺寸精度可達(dá)0.013mm。若采用剛性好的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車床，且PC BN刀具的剛性好、刃口鋒利，則精車表面粗糙度可達(dá)Ra0.3μm，尺寸精度0.01mm，可達(dá)到數(shù)控磨床加工的水平。某廠原采用磨削工藝加工小齒輪，一班僅能加工100個(gè);現(xiàn)采用PCBN刀具車削，切削參數(shù)采用：v=60～120mm/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm，一班能加工400個(gè)小齒輪。此外，分?jǐn)偟矫總€(gè)齒輪的加工成本也有所下降。如用PCBN刀具加工滲碳淬火的20CrMnTi汽車變速箱同步器套撥叉（HRC58～62），切削速度V=150mm/min，進(jìn)給量？=0.1mm/r，ap=0.2～0.3mm，刀具切削行程達(dá)到9.58km[2]。以車代磨后，效率提高4倍以上，加工成本降低為原來磨削工藝的1/3～1/2。荷蘭He mbrug公司在MikroturnCNC系列超精車床上采用PCBN刀具精車淬硬EN21軸承鋼（HRC62）、美國國家標(biāo)準(zhǔn)工藝研究院Y.KevinChou和ChrisJ.Evans采用SumitomoBN系列PCBN刀具加工AISIM50鋼（H RC62～64）、英國DeBeers工業(yè)金剛石公司M.A.Fleming在DeltaTur n40車床上采用AMBORITEDBN45刀具車削EN31軸承鋼等，都實(shí)現(xiàn)了納M切削。超硬材料刀具加工鋼件的例子還有使用長城機(jī)床廠的CK7820數(shù)控車床加工重型汽車變速器中的二軸的20CrMnTiHA3多檔花鍵沉割槽（HRc58～63）、使用1A616機(jī)床加工礦山機(jī)械的4 5號(hào)鋼Φ48h6傳動(dòng)軸（HRc42～45）[3]、在可無級(jí)變速的CA6140車床上使用PCBN刀具精密車削GCr15淬硬軸承鋼工件（分別為30HR c、40HRc、50HRc、60HRc和64HRc）等。

將經(jīng)過特殊磨削的PCBN刀具用于超精密車床上，在切削深度為15～20μm、進(jìn)給量為0.608μm/r轉(zhuǎn)的條件下，切削加工表面光潔度可達(dá)Rmax=0.0254μm。在一般精密數(shù)控車床上切削不銹鋼，可獲得Rmax=0.2μm以內(nèi)的表面粗糙度。

其次，車削鑄鐵件。加工硬鑄鐵時(shí)，只要硬度達(dá)到中等硬度水平（HRc45），采用超硬材料刀具刀具就會(huì)取得良好的加工效果，非常適合于大批量生產(chǎn)線上高速加工，在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的排氣閥座，采用銅、鉬高鉻合金鑄鐵（HRC44）材料，其加工方法一般有銑、車兩種工藝，大多在自動(dòng)線上，與拉鉸導(dǎo)管孔一道加工，v=71.6m/min，？=26.5mm/min，ap=1.0mm，采用PCBN整體刀片加工，平均耐用度為1，200個(gè)閥座，加工表面粗糙度Ra0.4μm，錐面擺差≤0.05mm，刀具壽命高，質(zhì)量穩(wěn)定。

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上，灰鑄鐵缸體的缸孔精加工要求缸孔加工尺寸精度高、表面粗糙度小、穩(wěn)定性好;由于生產(chǎn)線加工節(jié)拍快，要求切削速度高（通常V≥500m/min），刀具壽命長（加工孔數(shù)≥1000），且倒角、止口、粗精鏜等多個(gè)工位的刀片壽命均應(yīng)滿足耐用度要求。采用PCBN刀具即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的高速切削及高穩(wěn)定性加工;其典型切削參數(shù)為：V=500m/min，f=0.2～0.4mm/r，ap=0.2～0.7mm;加工表面粗糙度Ra≤ 1.6μm，刀具壽命>1，000件。

采用PCBN刀具加工含硼鑄鐵缸套，切削參數(shù)：V=200m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2～1mm，加工表面粗糙度Ra≤1.6μm，精度IT6，兩次刃磨之間，刀具壽命>100件，可實(shí)現(xiàn)“以車代磨”。由于采用干式切削，避免了切削液及砂輪灰塵對(duì)環(huán)境的污染，切屑也可回收再利用，符合清潔化生產(chǎn)要求[4]。用PCBN刀具車削灰鑄鐵剎車盤，切削速度一般700～2，000m/min，如上海通用汽車公司采用Seco刀具公司PCBN300型刀片，切削速度可以達(dá)到2，000m/min。

第三，車削合金工件。采用PCD刀具車削鋁合金輪轂，切削速度可為V=500～1000m/min，？推薦0.05～0.5mm/r，ap一般為0.5mm～3mm。PCBN刀具車削高鈷鉻鉬耐蝕耐熱合金，切削速度達(dá)160m/min，是硬質(zhì)合金刀具的8倍。一般含硅量低于10%的鋁合金，用硬質(zhì)合金切削工具即可。但含硅量超過10%，就只能借助PCD。當(dāng)前采用的高硅鋁合金含硅量均在12%以上，有些已超過18%，因此車削高硅鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等非PCD莫屬[5]。車削粉末高溫合金FGH95也使用PCBN刀片。

第四，車削其它材料。氧化鋁陶瓷密度 3.9g/cm3，硬度HV2100～2300，抗彎強(qiáng)度300MPa，抗壓強(qiáng)度300MPa，用PCD刀具采用濕式切削，V=20～70m/min，？=0.025～0.10mm/r，ap=0.2mm;加工效率明顯提高，是金剛石砂輪磨削的3～5倍，刀具壽命可達(dá)10～30min[6]。

用PCD刀具車削電動(dòng)機(jī)整流子的紫銅換向器，典型切削參數(shù)為：V=300m/min，？=0.08mm/r，ap≤0.15mm;加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm，刀具壽命>5，000件。而采用硬質(zhì)合金刀具只能加工幾件。

二、總結(jié)

刀具的性能是影響切削加工性能、精度、表面質(zhì)量等的決定性因素之一，在現(xiàn)代化加工過程中，提高加工效率的最有效是采用高速切削加工技術(shù)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展，越來越多的采用超硬難加工材料，以提高機(jī)器的使用壽命和工作性能。而陶瓷刀具則以其耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高速切削領(lǐng)域和難加工材料方面顯示了傳統(tǒng)刀具無法比擬的優(yōu)勢。據(jù)目前統(tǒng)計(jì)各種高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨和耐高溫的難以切削的新材料日益增多。