陶瓷刀具加工高硬度材料的实践
一、引言
190系列柴油机的气阀工作环境恶劣，其母体材料分别为：进气阀，4Cr9Si2；排气阀，4Cr14Ni14W2Mo。这两种材料经热处理后本身硬度就比较高，达到了48～52HRC。为提高气阀密封线的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击的能力，分别采用进气阀堆焊钴基合金，排气阀堆焊铬基合金（如图1所示）。此类合金强度及硬度都较高，机械加工性极差。采用YG3硬质合金刀具加工铬基合金时，刀具损坏严重；而对钴基合金则根本无法加工。
图1 气阀加工示意图（局部）
为了解决这一问题，采用陶瓷刀具进行加工试验。陶瓷刀具以硬度高而著称，具有良好的耐磨及耐高温等综合性能，特别适合加工高强度、高硬度材料，对高速切削，高精度加工有其独到之处，并且具有优良的化学稳定性和抗粘结性。刀具制造工艺简单、刃磨方便、价格低廉、耐用度高。美中不足的是其抗冲击载荷能力较差，常产生脆性破损（即崩刃）。但若选择合理的切削用量，设计恰当的刀具几何参数，改善刀具的受力状态，就能获得比较满意的加工效果。
二、陶瓷刀具的应用试验
1. 刀具选择
针对被加工材料硬度高（约50HRC），切削温度高（约1000℃左右）的特点，决定选用LT55陶瓷刀片进行切削试验。刀片成分：Al2O3 TiC Mo Ni；技术指标：硬度93.7～94.8HRA，抗弯强度1.0～1.2GPa，冲击韧性≥20kJ/m2；刀具选用可转位型，其型号为：CSS-NR2020R09 GB5343.2-93。
刀具几何参数：前角g0=-6°，后角a0=6°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6°。
2. 切削试验
为获得理想的加工效果，采用不同的切削参数，对铬基合金与钴基合金进行切削试验，寻找合理的切削用量。
铬基合金、钴基合金的切削试验
铬基合金的切削试验（见表1），钴基合金的切削试验（见表2）
表1 试验参数与量值
切削速度V
m/min |
进给量f
mm/r |
切削深度ap
mm |
每刀尖平均
加工件数 |
| 241 |
0.12 |
0.8 |
52 |
| 193 |
0.12 |
0.8 |
58 |
| 153 |
0.12 |
0.8 |
76 |
| 153 |
0.12 |
1.2 |
64 |
| 153 |
0.14 |
1.2 |
60 |
|
|
表2 试验参数与量值
切削速度V
m/min |
进给量f
mm/r |
切削深度ap
mm |
每刀尖平均
加工件数 |
| 241 |
0.10 |
0.8 |
6 |
| 193 |
0.10 |
0.8 |
7 |
| 153 |
0.10 |
0.8 |
13 |
| 153 |
0.10 |
1.2 |
8 |
| 153 |
0.12 |
1.2 |
5 |
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切削效果及分析
从以上试验可以看出，LT55陶瓷刀片加工铬基合金效果较好，与硬质合金刀具相比，切削速度及刀具耐用度均有很大提高，经济效益明显。但加工钴基合金效果不理想，刀具损坏严重，损坏形式呈脆性破损。
3. 刀具损坏原因分析
钴基合金较铬基合金的强度及硬度都高，因而切削性能更差。
切削表面既有母体材料又有合金材料，硬度不均；加工表面为毛坯面，余量不匀。
切削用量，尤其是切屑厚度对刀片应力状态影响较大，切屑厚度大时，刀、屑接触长度增加，冲击载荷加大，易使刀片产生脆性破损。
鉴于以上分析，经查阅有关资料，决定改用SG4陶瓷刀片对钴基合金作进一步的切削试验。刀片成分：Al2O3 (WTi)C；技术指标：硬度94.7～95.3HRC，抗弯强度0.8～1.18GPa，冲击韧性≥15kJ/m2。该种刀片较陶瓷刀片硬度略有提高，冲击韧性略有降低。
4. 陶瓷刀片切削钴基合金的试验
陶瓷刀片切削钴基合金的试验（见表3）
表3 试验参数与量值
切削速度V
m/min |
进给量f
mm/r |
切削深度ap
mm |
每刀尖平均
加工件数 |
| 241 |
0.08 |
0.8 |
20 |
| 193 |
0.08 |
0.8 |
23 |
| 153 |
0.08 |
0.8 |
37 |
| 153 |
0.08 |
1.2 |
32 |
| 153 |
0.10 |
1.2 |
31 |
从试验效果看，SG4刀片较LT55刀片加工钴基合金，刀具耐用度有了很大提高，但效果仍不十分理想。陶瓷刀具在切削冲击载荷较大的毛坯面时，其刀面上所受为拉应力，这样易使刀片产生脆性破损；如采用较大的负前角，可使刀面上的拉应力变为压应力，提高刀片的抗破损能力。但是，加大负前角，会使切削抗力增大，故要求机床系统要有较好的刚性。
结合理论分析和前期试验结果，将刀片负前角改为-12°作进一步切削试验（见表4）。
表4 试验参数与量值
切削速度V
m/min |
进给量f
mm/r |
切削深度ap
mm |
每刀尖平均
加工件数 |
| 193 |
0.08 |
0.8 |
68 |
| 153 |
0.08 |
0.8 |
89 |
| 153 |
0.08 |
1.2 |
80 |
| 153 |
0.10 |
1.2 |
75 |
从试验结果来看，效果比较明显，刀具耐用度有了很大提高，且尺寸稳定，粗糙度亦符合要求，说明采取的措施是正确的。
三、结论
1. LT55陶瓷刀片适合加工铬基合金，切削速度可选153～193m/min之间，进给量可选0.12～0.14mm/r之间，切削深度可选0.8～1.2mm之间。
2. SC陶瓷刀片适合加工钴基合金，切削速度可选153～193m/min之间，进给量可选0.08～0.10r/min之间，切削深度可选0.8～1.2mm之间。
3. 刀具几何参数
前角g0=-12°，后角a0=12°，主偏角kr=45°，刃倾角ls=-6°。
4. 机床—工件—刀具系统要有良好的刚性。
5. 由于切削用量与刀具几何参数优选的范围比较窄，因此还不算是最佳的
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