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硬車削用PCBN刀片的切削刃制備

關(guān)鍵詞 立方氮化硼 , PCBN , 硬車削|2013-05-16 09:13:15|基礎(chǔ)知識(shí)|來(lái)源 中國(guó)刀具信息網(wǎng) 
摘要 零部件制造商在精加工淬硬工件時(shí)往往面臨兩難選擇。人們通常認(rèn)為,硬車削比磨削更靈活、更環(huán)保和更高效。然而,美國(guó)羅格斯大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程系副教授Tu?rul?zel認(rèn)為,由于硬車削存在...
   零部件制造商在精加工淬硬工件時(shí)往往面臨兩難選擇。人們通常認(rèn)為,硬車削磨削更靈活、更環(huán)保和更高效。然而,美國(guó)羅格斯大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程系副教授Tu?rul Özel認(rèn)為,由于硬車削存在一些與刀具幾何形狀有關(guān)的問(wèn)題,從而使磨削比硬車削更可靠,并能獲得更好的表面光潔度。

  用戶通常采用聚晶立方氮化硼PCBN)刀片來(lái)進(jìn)行硬車削,因?yàn)檫@種刀具材料的硬度高于硬質(zhì)合金。此外,PCBN刀具在切削鐵族材料時(shí),不會(huì)像聚晶金剛石(PCD)刀具那樣,與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并導(dǎo)致刀具提前失效。

  PCBN刀具能夠承受硬車削時(shí)產(chǎn)生的高溫,但當(dāng)切削溫度超過(guò)大約1,200℃后,PCBN的金屬結(jié)合劑材料就會(huì)軟化,進(jìn)而導(dǎo)致刀具失效。

  Özel指出,發(fā)生在刀具副切削刃后刀面上的后刀面磨損,是伴隨著月牙洼磨損而出現(xiàn)的,而月牙洼磨損主要形成于靠近主切削刃的前刀面上,崩刃可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的刀具失效。用PCBN刀具進(jìn)行硬車削加工時(shí),為了提高生產(chǎn)率和可靠性,獲得更好的表面光潔度,以及保護(hù)刀具切削刃(尤其是刀尖附近的刃口),就需要對(duì)切削刃進(jìn)行優(yōu)化制備。
切削刃制備方式的選擇

  刀具切削刃制備設(shè)備供應(yīng)商Conicity技術(shù)公司副總裁Bill Shaffer介紹說(shuō),刀具制造商試圖采用一種適用于所有切削刃、具有統(tǒng)一尺寸和形狀的切削刃制備方法——通常是T型倒棱或刃口鈍化。他補(bǔ)充說(shuō),T型倒棱是最常見(jiàn)的切削刃制備方式,盡管它能有效減少崩刃的發(fā)生,但其相對(duì)于工件形成了一個(gè)很大的“負(fù)表面”,使切削圓角看起來(lái)更像是“犁頭”而不是切削刃。Shaffer解釋說(shuō),“用這種負(fù)倒棱切削刃加工時(shí),從工件上切離的切屑脫落時(shí),會(huì)直接對(duì)T型棱帶表面造成沖擊。T型棱帶是負(fù)倒棱刀具會(huì)因?yàn)榍邢魅谐霈F(xiàn)月牙洼而失效的原因之一。”

  Shaffer指出,月牙洼會(huì)引起兩種類型的刀具失效。如果一個(gè)月牙洼足夠深,切屑就可能對(duì)刀具形成沖擊,并造成刀具在與切削力一致的方向——垂直于刀具的后刀面——直接斷裂;或者,如果一個(gè)月牙洼造成了切屑的滯留堵塞,切削力就會(huì)變成水平方向,并通過(guò)劈裂刀具的前刀面,造成PCBN刀尖斷裂。

  Conicity技術(shù)公司的切削試驗(yàn)表明,制備標(biāo)準(zhǔn)T型棱帶刃口的PCBN刀片會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的切屑;制備瀑布型刃口的PCBN刀片則可形成穩(wěn)定的切屑。Shaffer解釋說(shuō),與T型棱帶引起的刀具磨損(開始時(shí)發(fā)生在刃口處,然后向刀具中心部位移動(dòng))不同,采用可變參數(shù)的切削刃制備方法形成的瀑布型或橢圓形圓角廓形造成的刀具磨損,是開始時(shí)遠(yuǎn)離刃口,然后向刃口方向移動(dòng)。“這就延緩了切削刃的磨損變形,并能實(shí)現(xiàn)更高水平的切屑控制。”他補(bǔ)充說(shuō),切屑圍繞帶有瀑布型鈍化圓角的刀片端部形成,并順利離開切削區(qū)。
相比之下,采用T型負(fù)倒棱時(shí),切屑被擠壓在刀具與工件之間,并垂直向上離開切削區(qū)。Shaffer說(shuō),“采用這種刃口幾何廓形時(shí),切屑沒(méi)有真正有效的排出路徑。”

  標(biāo)準(zhǔn)型的刃口鈍化圓角會(huì)保持分解到刀具切向上的切向切削力,與之相比,橢圓形的幾何廓形則會(huì)引導(dǎo)切削力離開刀具切向,并更深入作用于刀具內(nèi)部,從而減小刀具所受的壓力。在切削試驗(yàn)和硬車削加工中,瀑布型刃口廓形可使刀具壓力減小40%。
性能優(yōu)異的切削刃

  Shaffer補(bǔ)充說(shuō),采用瀑布型鈍化刃口的可變參數(shù)制備方法,是基于刀具用于實(shí)際切削的方式來(lái)制備其切削刃。制備時(shí),主切削刃的特定尺寸是基于進(jìn)給率確定的。當(dāng)切削刃圍繞刀尖圓角半徑過(guò)渡時(shí),切削刃的鈍化尺寸逐漸減小,直至在刀尖圓角半徑和相鄰切削刃的切向上呈完全鋒利狀態(tài),使其能進(jìn)行“仿形”切削。Shaffer指出,“隨著刀尖半徑遠(yuǎn)離主切削刃,切屑負(fù)荷厚度也逐漸減小。”
在Özel等人發(fā)表于Elsevier期刊的一篇名為“用可變微小形狀刃口制備的PCBN刀具進(jìn)行硬車削”的論文中,從切削實(shí)驗(yàn)和有限元模擬獲得的結(jié)果表明,在車削硬度為HRC40的AISI 4340淬硬鋼時(shí),如果能針對(duì)特定切削條件,恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)可變?nèi)锌谥苽鋮?shù),經(jīng)過(guò)制備的刀片就能減少切削熱的產(chǎn)生,從而減小工件的塑性應(yīng)變,并且刀具的磨損也小于采用標(biāo)準(zhǔn)刃口制備方式的同類刀具。此外,該論文指出,在切削速度125 m/min、進(jìn)給量0.15 mm/r、切削深度1mm的切削條件下加工時(shí),經(jīng)過(guò)瀑布型鈍化制備、切削刃圓弧半徑范圍為30-60µm 的PCBN刀片產(chǎn)生的徑向力最小。

  據(jù)Özel介紹,獲得這些實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的原因是,在硬車削時(shí),切削刃經(jīng)可變參數(shù)制備的PCBN刀片可以提供更大的剪切作用而不是耕犁作用。這是因?yàn)椋刂镀邢魅薪y(tǒng)一不變的刃口形狀會(huì)在尚未切除切屑厚度變得較小的副切削刃上,產(chǎn)生較小的尚未切除切屑厚度與切削刃半徑之比。他說(shuō),“切除的材料被阻塞在沿刀尖圓角半徑尚未切除切屑形狀的末端附近。低效的切削使工件材料的應(yīng)變?cè)龃螅@反過(guò)來(lái)又增大了機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷,并產(chǎn)生極高的切削溫度。”

  Shaffer指出,在某一點(diǎn)(通常是在刀尖圓角半徑的中間部位),尚未切除切屑的厚度正好等于統(tǒng)一采用的刃口制備尺寸。從該點(diǎn)繼續(xù)往前,刃口制備尺寸就超過(guò)了尚未切除切屑厚度,使尚未切除切屑在刀具與工件之間受到擠壓而不是被切削。他說(shuō),“刀具的壓力增大,而切削效率下降。用于切削工件的能量被轉(zhuǎn)化為刀具刮擦而產(chǎn)生的摩擦熱。”

  Özel補(bǔ)充說(shuō),可變參數(shù)刃口制備還可以減輕作用于工件上的壓力,并使以更高的切削速度和進(jìn)給率、更小的刀具磨損進(jìn)行硬車削成為可能。他指出,除了淬硬鋼以外,在鈦合金和鎳基合金的車削加工中,刃口制備也同樣有效。
可變參數(shù)刃口制備技術(shù)的應(yīng)用

  有幾種金屬材料適合用經(jīng)過(guò)可變參數(shù)刃口制備的PCBN刀片進(jìn)行硬車削加工,其中包括高合金粉末冶金材料。美國(guó)Federal-Mogul公司開發(fā)了這種專有合金材料,用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的閥座密封圈)。該公司威斯康星州生產(chǎn)廠的全球研發(fā)經(jīng)理Denis Christopherson指出,這種材料是由高合金鋼與硬質(zhì)顆粒(包括陶瓷和鈷基添加物)復(fù)合而成,是一種非標(biāo)準(zhǔn)的特殊材料,其硬度可高達(dá)HRA70以上,其中硬質(zhì)顆粒的硬度高于HV 1,000。

  隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的體積越來(lái)越小、轉(zhuǎn)速越來(lái)越快、溫度越來(lái)越高,閥座密封圈的工作環(huán)境也變得越來(lái)越嚴(yán)酷,而這種高合金材料為其提供了良好的耐高溫性和耐磨性。然而,該公司開發(fā)的這種金屬材料雖然能勝任工作要求,但其確保加工工藝穩(wěn)定和刀具磨損一致的安全區(qū)卻在縮小,在硬車削時(shí)刀具破裂或產(chǎn)生月牙洼的風(fēng)險(xiǎn)在增大。

  Christopherson說(shuō), “這是有問(wèn)題的。因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)這種材料是為了獲得更好的耐用性,但這通常會(huì)導(dǎo)致材料的可加工性更差。”但他指出,可加工性并不是材料本身的屬性,而是材料對(duì)某種加工工藝的響應(yīng)。因此,當(dāng)材料難于加工時(shí),為了有效去除切屑,工藝系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)合理,并具有良好的剛性。用戶必須遵循良好的加工習(xí)慣。只有控制好這些要素,才能增大加工安全區(qū)。而刀片的刃口制備也是工藝系統(tǒng)的組成部分。他說(shuō),“刃口制備對(duì)于加工的成敗可能會(huì)產(chǎn)生很大影響。雖然精細(xì)的刃口制備并非總是至關(guān)緊要,但隨著加工工藝變得越來(lái)越敏感,其作用也變得越來(lái)越重要。”

  Christopherson主要與原始設(shè)備制造商合作,開發(fā)這種高合金粉末冶金材料的切削工藝。他指出,為了獲得最佳氣門配合表面,經(jīng)過(guò)熱處理的閥座密封圈要在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋中加工;為了將徑跳誤差減至最小,并使氣門導(dǎo)孔與密封圈座表面之間達(dá)到要求的同心度,硬車削和鉸削加工通常要在同一機(jī)床主軸上進(jìn)行。

  Christopherson指出,對(duì)于閥座密封圈來(lái)說(shuō),插切是最常見(jiàn)的加工方式。在整個(gè)切削過(guò)程中,切屑的厚度和負(fù)荷都在不斷變化,往往容易造成刀具崩刃或切削刃缺口,因此,研發(fā)團(tuán)隊(duì)的很多工作都集中在切削刃上。雖然制備T型倒棱會(huì)推擠工件材料和增大切削力,但為了增加刃口強(qiáng)度,它可能仍然是必要的。無(wú)論是否采用T型倒棱,為了消除強(qiáng)度薄弱的“絕對(duì)鋒利”狀態(tài),對(duì)刃口轉(zhuǎn)折過(guò)渡形狀的設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。

  但是,即使采用了能增大刃口強(qiáng)度的設(shè)計(jì),將切屑推向T型倒棱面的很大的切削力仍然會(huì)引起微小振動(dòng)。Christopherson說(shuō),“在一臺(tái)剛性非常好的CNC加工中心上,用制備了T型倒棱、直徑19mm的鏜刀加工時(shí),產(chǎn)生了900Hz的微小振動(dòng)。而當(dāng)我們采用刃口經(jīng)過(guò)輕微鈍化的刀具加工,并使切屑順暢地流過(guò)整個(gè)前刀面而不發(fā)生擠壓時(shí),則能獲得良好、安靜、平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)的加工過(guò)程。” 據(jù)Federal-Mogul公司報(bào)告,在一次切削性能試驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)大約600次切削后,刀具發(fā)生破損,刀尖處的T型棱帶不復(fù)存在。切削力和聲音頻率的測(cè)量值馬上減小,因?yàn)閿D壓在T型棱帶處的切屑消除。表面光潔度測(cè)量值也有所減小,表明切屑的形成和流過(guò)前刀面變得更容易。盡管切削刃破損并不是一種令人滿意的狀態(tài),但它證明了在切削加工時(shí),T型棱帶刃口制備方式對(duì)切削力、振動(dòng)和切屑流動(dòng)的影響。
如果一家刀具制造商尚未對(duì)刀具刃口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制備,Christopherson建議由一家專業(yè)的刀具刃口制備商來(lái)提供特殊刃口(如瀑布型刃口)的設(shè)計(jì)與制備。他說(shuō),“我還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有太多技術(shù)人員能夠制備出理想的瀑布型刃口。”
但是,即使制備出了恰當(dāng)?shù)牡毒呷锌冢矡o(wú)法克服加工系統(tǒng)本身的弱點(diǎn)。Christopherson說(shuō),“如果加工系統(tǒng)剛性不足、調(diào)整不佳,或

  工件和刀具夾持系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)缺陷,而你卻要求它完成對(duì)高合金材料的10,000次切削,這是不可能實(shí)現(xiàn)的。要完成對(duì)難加工材料的高效加工,你首先必須建立堅(jiān)實(shí)的工藝基礎(chǔ)。”
可變參數(shù)刃口制備與刀具涂層

  據(jù)羅格斯大學(xué)的Tu?rul Özel介紹,大部分進(jìn)行可變參數(shù)刃口制備的刀具都是未涂層刀具,但是,刀具涂層可以提供額外的加工優(yōu)勢(shì),這是因?yàn)橥繉涌梢缘钟邢鳠帷⒃鰪?qiáng)潤(rùn)滑性、提高刀具硬度和提供磨損標(biāo)識(shí)(取決于不同的涂層類型)。然而,采用涂層會(huì)使刃口鈍化,例如,涂層本身的厚度可能會(huì)使5μm的刃口圓弧半徑增大到10μm或15μm。
為了克服這一缺陷,可以對(duì)涂層刀具進(jìn)行刃口制備。Özel說(shuō),“當(dāng)然,當(dāng)你在5μm或10μm厚的涂層上進(jìn)行切削刃制備后,涂層就會(huì)變得更薄一些。”。

  Conicity技術(shù)公司的Bill Shaffer指出,該公司已能對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具提供各種刃口制備服務(wù),但尚未對(duì)涂層PCBN刀具進(jìn)行刃口制備。

  Özel補(bǔ)充說(shuō),他和Conicity公司,以及不同的研究機(jī)構(gòu)、山高刀具公司及其涂層事業(yè)部正在參與一個(gè)國(guó)際研究項(xiàng)目,該項(xiàng)目是在國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)的成員中進(jìn)行的,旨在研究對(duì)涂層刀具進(jìn)行刃口制備的影響,并確定哪些制備方法可以獲得最佳刀具壽命和加工效率。他說(shuō),“由于有不同的企業(yè)參與,我們可能會(huì)在大約一年后得出研究結(jié)果。”
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