刀片研發(fā)助高溫合金車(chē)削一臂之力

Insert developments for improving turning of heat resistant super alloys

 
    在談到車(chē)削高溫合金時(shí)，由于其加工方法不只一種，“加工方法”往往成為關(guān)鍵字。高溫合金材料對(duì)機(jī)床的要求可能是最高的。在這一領(lǐng)域，切削刀具和應(yīng)用知識(shí)已歷經(jīng)了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，有助于為高溫合金車(chē)削的加工性能和加工結(jié)果再上新臺(tái)階而鋪平道路。
新研發(fā)的獨(dú)特的刀具材料與切削槽形的組合填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的空白。
 
挑戰(zhàn)：可加工性較差
    高溫合金（HRSA）對(duì)機(jī)床的要求很高，原因在于這類材料在高溫下有很高的強(qiáng)度。這些性能使其作為零件材料頗具優(yōu)勢(shì)，但是由于其機(jī)械負(fù)荷高，切削刃上存在大量切削熱，因此意味著其可加工性很差。典型高溫合金材料的具體切削力（是直接衡量切削材料難以加工程度的一種標(biāo)準(zhǔn)）幾乎是典型鋼材切削力的兩倍。鎳基、鐵基或鈷基合金都具有其獨(dú)特的性能，可用于航空航天、能源和醫(yī)療行業(yè)，其性能只有接近其熔點(diǎn)溫度時(shí)才有較大改變。但從可加工性方面來(lái)看，這也意味著：
-          所需功率更高；
-          需要超穩(wěn)定的加工工況；
-          對(duì)切削刃的要求很高；       
-          優(yōu)化的冷卻液應(yīng)用；    
-           在應(yīng)用中選擇最適合的刀具。 
 
    切削刃受到高應(yīng)力、高應(yīng)變和高熱量的組合影響時(shí)，很容易生成諸多有害的磨損。 很大的壓縮力和剪切力會(huì)作用于切削刃上，使其容易受到破壞性的影響。 更為糟糕的是，高溫合金材料加工表層易于硬化，這可能會(huì)引起其它類型的磨損，會(huì)導(dǎo)致在零件上形成過(guò)多毛刺，并使后續(xù)的工序變得更加困難。
 
    在加工高溫合金材料時(shí)，切削速度自然是有限的，因此，加工時(shí)必須保持遠(yuǎn)低于大多數(shù)工件材料的切削速度。在加工高溫合金材料時(shí)，要綜合考慮切削參數(shù)：速度、進(jìn)給量和切削深度，這些切削參數(shù)直接決定一個(gè)工序是否能順利完成。
 
    在加工之前需要認(rèn)真規(guī)劃高溫合金材料的加工工藝，因?yàn)檫@是關(guān)鍵性的決定因素。 首先要考慮到工件材料的狀態(tài)，是鑄件、鍛件、還是棒材，是熱處理件、固溶化熱處理件、還是材料已經(jīng)時(shí)效等，這些都會(huì)影響刀具和加工方法的選擇。 工件表面是變化的，影響加工的主要是硬度，硬度變化范圍為HRC30-50。 高溫合金車(chē)削的加工策略還必須滿足以下一些要求：組成形式、加工的不同階段（粗加工、半精加工還是精加工）。
 
切削刃的選擇對(duì)加工效率的影響
    影響高溫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。結(jié)合刀片槽形，切削刃的進(jìn)入角是獲得高刀具性能、長(zhǎng)使用壽命、高安全性和理想加工結(jié)果的決定因素。通常會(huì)根據(jù)切削要求選擇刀片形狀，但事實(shí)上，采用小的進(jìn)入角有助于提高刀具性能和壽命，這絕對(duì)是應(yīng)用中很重要的組成部分。因此，刀片材質(zhì)的選擇部分與進(jìn)入角的大小有關(guān)。除此之外，進(jìn)入角還影響磨損類型，主要是溝槽磨損，其溝槽大小會(huì)影響到加工結(jié)果，導(dǎo)致刀具過(guò)早到壽命。了解了正確的應(yīng)用方法也意味著可以選擇能實(shí)現(xiàn)更高生產(chǎn)效率的刀片材質(zhì)。
 
    圓形刀片具有最強(qiáng)壯的切削刃，通過(guò)改變切深，主偏角是變化的，當(dāng)然，切深要合理，最大深度達(dá)刀片直徑的四分之一。為達(dá)到更大切削深度，最好使用具有恒定的45°進(jìn)入角的方形刀片。對(duì)于較小的切削深度，精加工時(shí)切削深度不是問(wèn)題，可提高進(jìn)給率，以獲得足夠厚的切屑，同時(shí)可提高生產(chǎn)效率。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于精加工而言，刀尖半徑應(yīng)總是盡可能要大些。為了盡可能減少溝槽磨損趨勢(shì)，應(yīng)該考慮到在進(jìn)刀或轉(zhuǎn)角處刀片的滾動(dòng)動(dòng)作的編程問(wèn)題。此外，為進(jìn)一步均勻分配切削刃上的荷載，坡走和多次走刀是非常有利的。  
 
  對(duì)于車(chē)削工序，如車(chē)削進(jìn)入拐角，使用菱形80°刀片是很理想的，可通過(guò)使用帶有特殊倒角拐角的刀片限定進(jìn)入角。山特維克可樂(lè)滿已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了專用于高溫合金車(chē)削的Xcel型刀片。與圓刀片相比，該類刀片在有限空間內(nèi)具有較好的可達(dá)性和較大的進(jìn)給量，其進(jìn)入角可以盡可能減少溝槽磨損，同時(shí)提供均勻的切屑厚度和較低的徑向力。通過(guò)這種方法，Xcel型刀片提供了具有93°刀具的可達(dá)性優(yōu)勢(shì)和45°進(jìn)入角優(yōu)勢(shì)的解決方案，其切削深度適用于半粗加工工序。
 
專用刀具材料的必需性
    根據(jù)高溫合金材料的特定需求，刀片材質(zhì)和槽形需要搭配使用。 切削刃必須具有較高的硬度、適當(dāng)?shù)捻g性和充分的涂層粘合性。 加工這種材料的可轉(zhuǎn)位刀片要具有以下特性：正前角刀片槽形、鋒利但強(qiáng)壯的切削刃以及相對(duì)開(kāi)放的斷屑槽。
 
    刀片材質(zhì)的選擇會(huì)受到車(chē)削工序類型——粗加工、半精加工或精加工的影響，同時(shí)受到工況和切削類型的影響。 由于高溫合金材料硬度的影響，在選擇刀片材質(zhì)時(shí)，必須始終考慮切削刃塑性變形這一主要風(fēng)險(xiǎn) （溝槽磨損主要受到進(jìn)入角和切削深度的影響）。 在刀片形狀已確定，選擇刀片材質(zhì)時(shí)，應(yīng)首先判斷是連續(xù)切削還是間斷切削，因?yàn)檫@涉及到刃口強(qiáng)度問(wèn)題和切削負(fù)荷。
 
    車(chē)削根據(jù)所處工藝階段和工件類型（鍛造件、鑄造件或棒材）的不同而有所變化， 三個(gè)工藝階段包括：第一階段的粗加工，中間階段的半粗加工/半精加工，以及最終階段的精加工。 為滿足工序和工件的不同需求，山特維克可樂(lè)滿已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了專用于高溫合金材料的新型刀片材質(zhì)系列。 
 
刀片材質(zhì)——優(yōu)化后的正確選擇
    按照慣例，刀片材質(zhì)的選擇通?；谒婕暗氖谴旨庸み€是精加工工序，當(dāng)然這只是高溫合金車(chē)削考慮的其中一個(gè)方面。 在高溫合金車(chē)削中，塑性變形作為一種磨損形式，始終是一個(gè)存在的風(fēng)險(xiǎn)，需要改善刀片材質(zhì)來(lái)避免或減小。 另一方面，溝槽磨損作為另一種主要磨損形式，它主要由進(jìn)入角的大小和所用刀片的形狀來(lái)決定。 因此，材質(zhì)選擇在很大程度上基于刀片形狀。
 
    硬質(zhì)合金材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以實(shí)現(xiàn)耐磨性和韌性之間的平衡。 因此，用于高溫合金材料車(chē)削的硬質(zhì)合金材質(zhì)為具有較高熱硬度和良好韌性的細(xì)晶粒涂層刀具。 GC1105是首選的通用型材質(zhì)，可用于所有三個(gè)加工階段，以及當(dāng)進(jìn)入角較大時(shí)（例如在必須使用80°或55°刀片但進(jìn)給量適中時(shí)）同樣表現(xiàn)優(yōu)異。
 
    中間加工階段、最終加工階段及切槽工序通常需要一個(gè)更加有力的備選方案，該方案可以為更苛刻和不穩(wěn)定的工序提供高穩(wěn)定性。 GC1115和GC1125材質(zhì)將有助于盡可能減少與切屑撞擊和溝槽磨損相關(guān)的問(wèn)題。 當(dāng)需要利用有關(guān)刀片整體韌性的其他方案來(lái)優(yōu)化粗加工工序時(shí)，可以選擇使用非涂層材質(zhì)，例如H13A。
 
    精加工期間需要有較高的熱硬度和較好的熱障。 SO5F材質(zhì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，適用于45°進(jìn)入角，且是使用方形或圓形刀片的最終加工階段的理想材質(zhì)。 該材質(zhì)主要是為了優(yōu)化精加工中的生產(chǎn)效率而開(kāi)發(fā)，同樣，與破損后的刀片加工做對(duì)比，新刀片的加工能夠提供提供了非常一致的材料變形深度和殘余應(yīng)力輪廓。
 
    陶瓷刀片材質(zhì)可以在高溫合金的粗車(chē)工序中實(shí)現(xiàn)很高的生產(chǎn)效率。 其應(yīng)用與硬質(zhì)合金材質(zhì)的應(yīng)用有很大的不同，較高的耐熱磨損性允許其可使用較高的切削速度。 但是，較低的韌性使其易于產(chǎn)生破壞性的磨損。 陶瓷材質(zhì)需要正確的刀具路徑和進(jìn)刀/退刀，且用于特定的切屑厚度范圍內(nèi)。 它們也需要特定的切削刃，以利用適當(dāng)?shù)募庸し椒?mdash;—理想情況下是使用圓形或方形刀片以45°進(jìn)入角加工。
 
    兩種新型賽阿龍?zhí)沾刹馁|(zhì)適用于半精加工到粗加工，在開(kāi)始和中間階段切削時(shí)可獲得極高的生產(chǎn)率。 賽阿龍?zhí)沾墒堑杼沾珊脱趸X陶瓷的混合體，在要求苛刻的工序中可提供最佳的化學(xué)穩(wěn)定性以降低溝槽磨損。 在正確應(yīng)用時(shí)，陶瓷的切削速度是硬質(zhì)合金材質(zhì)的好幾倍。 陶瓷材質(zhì)的高速和園刀片的高強(qiáng)度組合可以提高生產(chǎn)率。
 
    賽阿龍?zhí)沾刹馁|(zhì)CC6060適用于較長(zhǎng)的切削長(zhǎng)度，在編程中采用圓弧切入和圓弧切出的優(yōu)化編程方式，所以它還可以適用于仿形加工和型腔加工。 該材質(zhì)具有較強(qiáng)的抗溝槽磨損性，且更適用于預(yù)加工的工件。 對(duì)于粗加工而言，賽阿龍材質(zhì)CC6065具有更好的整體韌性，在重型粗加工和插車(chē)（例如在凹窩、拐角以及沿著肩部）中具有較高的穩(wěn)定性。 在粗加工階段，該材質(zhì)可通過(guò)較高進(jìn)給率提高生產(chǎn)效率，并適用于鍛造黑皮、氧化皮和橢圓形的工件。
 
    另一種陶瓷材質(zhì)CC670是經(jīng)過(guò)碳化硅晶須加強(qiáng)的刀片材質(zhì)，其中碳化硅晶須在刀片主體材料內(nèi)隨機(jī)排列。 這些刀片尤其適用于高溫合金材料和硬材料的高速加工，加工安全性高主要取決于其切削刃的高韌性。 和傳統(tǒng)的陶瓷材質(zhì)相比，CC670主要具有較高的強(qiáng)度。 目的是對(duì)具有橢圓表面和圓形表面氧化皮的鍛造工件進(jìn)行車(chē)削，這在第一個(gè)加工階段經(jīng)常遇到。
 
刀片形狀——刀片槽形的選擇
    新槽型系列適用于0.2 mm - 10 mm的切削深度，其設(shè)計(jì)主要是為了控制切屑形成和使作用于切削刃上的壓力降低。 除了圓形刀片的RO槽形之外，用于普通車(chē)削的新型S槽形雙面刀片，使加工安全性上了一個(gè)新的臺(tái)階，并能滿足對(duì)表面質(zhì)量的高要求。
 
        在半精車(chē)和中等車(chē)削中，SM槽形通常是首選。 在中間加工階段應(yīng)用廣泛，刃口鋒利且切屑控制好，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加工性能優(yōu)異。在中等到輕載粗車(chē)中需要更好的刃口強(qiáng)度，主要原因是在連續(xù)加工中伴隨斷續(xù)、鍛造或鑄造黑皮，刃口韌度更高的SMR槽形可提供僅次于圓形刀片的最佳切削刃強(qiáng)度和進(jìn)給能力。
 
    在對(duì)高溫合金工件進(jìn)行精加工時(shí)，有兩種S槽形可供選擇。其中SGF用于半精加工至精加工，可提供最鋒利的切削刃、圓滑過(guò)度刃線和最低的切削力， 因此具有較高精度和非常高的表面質(zhì)量；對(duì)于半精加工和精加工，SF槽形加工精度高，被加工表面質(zhì)量好，且具有良好的切屑控制能力。 由于該槽形刃口鋒利，所以在切深較小、長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)加工中表現(xiàn)良好。
 
高溫合金材料車(chē)削時(shí)的幾點(diǎn)建議
    最后，對(duì)于這類材料的車(chē)削，工序的優(yōu)化主要是使材料特殊性的影響和應(yīng)用場(chǎng)合達(dá)到一個(gè)很好的平衡點(diǎn)。 成功車(chē)削高溫合金，有幾個(gè)主要的原則：
-          提前認(rèn)真進(jìn)行計(jì)劃，制定完善的加工策略
-          多注意規(guī)劃加工方法
-          盡可能選擇最佳的新型可轉(zhuǎn)位刀片
-          認(rèn)真確定最佳刀具路徑、穩(wěn)定的刀具夾持裝和最安全的切削參數(shù)
-          使用螺旋切削長(zhǎng)度計(jì)算方法預(yù)測(cè)切削
-          正確使用冷卻液——最好使用高壓冷卻（HPC）
 
圖片說(shuō)明

圖1 ：選擇正確的切削刃是高溫合金材料車(chē)削中的一個(gè)非常重要的因素。 圓形刀片是適用于許多工序的基本選擇。 Xcel刀片不同于其他刀片形狀，它提供了具有93°刀具的可達(dá)性優(yōu)勢(shì)和45°進(jìn)入角優(yōu)勢(shì)的解決方案，其切削深度適用于半粗加工工序。

           
圖2：車(chē)削高溫合金材料時(shí)，溝槽磨損和塑性變形是威脅切削刃的兩個(gè)主要方面。 溝槽磨損與所采用的進(jìn)入角有關(guān)，因此可通過(guò)選擇最適當(dāng)?shù)牡镀螤畹玫綐O大的改善。 切削刃上較高的壓力和切削溫度可導(dǎo)致塑性變形。 選擇正確的刀片材質(zhì)對(duì)于縮短刀具使用壽命和安全性所面臨的威脅而言至關(guān)重要。
 

圖3：有關(guān)高溫合金材料切削方法的部分問(wèn)題涉及刀具路徑的編程。 進(jìn)刀、退刀、仿形加工、拐角車(chē)削、肩部和凹窩都是詳細(xì)加工策略的一部分。

圖4：在正確應(yīng)用中，陶瓷材質(zhì)的切削速度是硬質(zhì)合金的幾倍。 它與圓形刀片的強(qiáng)度形成了有效組合，可以提高生產(chǎn)率。 賽阿龍?zhí)沾刹馁|(zhì)CC6060適用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加工以及采用優(yōu)化編程技術(shù)進(jìn)行的仿形加工和型腔加工，圓弧切入和圓弧切出拐角。
 
 

圖5：新型ISO-S刀片槽形系列主要應(yīng)用于0.2 mm-10 mm的切削深度。 在切屑形成可被控制且切削刃壓力較低時(shí)，可以預(yù)測(cè)刀具壽命。 用于普通車(chē)削的新型S槽形雙面刀片使加工安全性上了一個(gè)新的臺(tái)階，并能滿足對(duì)表面質(zhì)量的高要求。
 
 

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