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体彩排列五体彩排列五走势图:怎樣采用圓刀片車削鎳基合金

文字:[大][中][小] 2015-2-13    瀏覽次數:1209    

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在極端條件下使用的零件需要用特殊材料制造。這些零件可能是噴氣發動機上的一個大環或一個罩子,需要在高達650℃的高溫下運行;或者是用于油田井下的零部件,需要在地下幾百英尺的腐蝕性環境中工作。


因此,航空航天和石油天然氣公司都有許多零部件是由鎳基合金(耐熱超級合金)制成。為了車削加工這些材料(包括Inconel合金,Hastelloy鎳基合金,Waspaloy合金以及Monel銅鎳合金),制造商應該將其注意力牢牢鎖定在貌不驚人的切削刀具——圓刀片上。



圓刀片在一些制造部門也許并未得到充分利用,但在航空航天和石油天然氣行業,情況卻有所不同。


不能加工小半徑轉角


盡管具有一些重要優點,但由于某些原因,圓刀片可能還是對制造商缺乏吸引力:一個原因是它不能用于加工小半徑轉角,例如,直徑12.7mm的圓刀片不能車削半徑為0.1mm的90°轉角,因為它的最小轉角半徑為12.7mm。


由于圓刀片不能加工小半徑轉角,導致不少零件制造商及其編程人員采用其它形狀的刀片。山特維克可樂滿公司的產品開發經理BillTisdall介紹說,“由于CNMG方刀片兼具加工靈活性和良好的切削刃強度,因此成為許多加工編程人員的首選。這種刀片既可以進行外徑車削、表面車削、外表面仿形車削,也可以車削加工方肩。而采用圓刀片,雖然可以進行所有其它加工,但不能進行方肩車削?!?外表面仿形是一種將朝向卡盤的Z軸運動與偏離工件中心線的X軸運動結合起來的加工運動)。


此外,據山高刀具公司車削產品經理DonGraham介紹,圓刀片不太適合加工復雜輪廓(如凹槽),也不能加工出與其幾何形狀不符的輪廓。


最后,與直刃刀片相比,圓刀片可能更容易損壞工件。與直刃刀片具有較小的刃尖半徑不同,圓刀片具有相對較大的刀尖半徑。而較大的刀尖半徑意味著與加工表面的接觸面積更大,從而引起更大的切削力。刀具制造商Greenleaf公司應用工程師DaleHill說,當工件的夾持剛性較差、刀具懸伸量較大,或加工具有較薄截面的工件特征時,較大的刀尖半徑可能會產生不利的影響,包括造成工件變形和振動。因此,如果零件制造商希望成功地使用圓刀片,就必須使機床和工件夾持剛度最大化。


使用圓刀片的理由


盡管如此,圓刀片仍然具有應用價值:與其它形狀的刀片相比,它的強度更高,并且可以采用更高的進給率(可比其它類型刀片提高20%),從而大大彌補了它在某些加工中的缺點。


提高進給率所節省的時間意味著可以節省加工費用。Tisdall說,“(通過采用圓刀片)在刀具加工壽命方面可以節省的費用是驚人的?!筆導始庸こ殺鏡慕檔腿【鲇誄導淶木P鑰?、年產工件數量以及單件加工時間的縮短。


據Graham估計,圓刀片的進給率可比其它類型刀片提高20%,這取決于圓刀片的斷屑槽。斷屑槽可以根據不同的進給率來設計。他以一種具有零前角和槽型較寬的斷屑槽為例,說明這種圓刀片可比具有正前角和較窄槽型的刀片采用更大的進給率。


圓刀片可以采用較大的進給率是因為其幾何形狀強度最高??夏曬救蚣庸ぜ際醺嘸豆こ淌rankBattaglia說,“切削刃的刀刃夾角越大,刀片本身的強度就越高?!彼躍哂脅煌度屑薪塹母髦值鍍?夾角為100°、90°、80°和60°的刀片直到夾角為35°的VNG刀片)進行了比較,“當刀片夾角依次減小時,從刀片的一邊到另一邊的橫截面積也依次縮小。而圓刀片實際上可使從切削刃一邊到另一邊的橫截面積最大化?!彼鉤淥?,“對于圓刀片而言,切削刃受力處背后有更多的材料可以吸收切削力?!苯細叩那慷仁乖駁鍍諗看殖導庸ざ圖橢北硐鐘乓?,也使圓刀片比其它類型的刀片更不容易崩刃和破損。


此外,圓刀片的高強度和較長的壽命意味著它更適合車削加工在航空航天、石油天然氣行業常見的大型工件。山特維克可樂滿的Tisdall說,“在各種形狀的刀片中,圓刀片提供了最佳的刀具壽命和強度,因此,如果需要車削非常長的工件,采用一個圓刀片就能加工完整個長度。如果采用帶角度的刀片,由于刀具壽命通常較短,因此必須在切削中途進行刀片轉位”。


Graham說,“在航空航天業,通常需要加工一些大型鍛件?!崩?,為了用直徑1220mm(厚度和寬度均為150mm)的毛坯車削加工出一個直徑1016mm(厚度12.7mm,寬度50.8mm)的環,需要切除大量的材料,“此時,圓刀片非常有用,因為你可以采用很大的切削用量快速去除大量工件材料?!?


選用正前角還是負前角?


在加工鎳基合金時,零件制造商必須考慮是采用帶負前角、零前角還是正前角的圓刀片。根據Graham的看法,石油和天然氣行業的零件制造商通常更愿意采用帶負前角或零前角的圓刀片,因為這種角度可以提供更高的強度。這些企業也喜歡采用結實耐用的重載斷屑槽。


Greenleaf公司的Hill補充說,負前角特別適合斷續車削?!暗痹駁鍍腥牘ぜ?,大部分切屑會沖擊刀片的頂面,而該處正是圓刀片強度最高的區域。因此,在斷續車削時,是用刀具強度最高的區域來應對最惡劣的加工狀況?!?


然而,負前角往往會產生較大的切削力,而這可能對一些特定的加工不利。為此,Hill推薦了正確的刀具幾何形狀,“在可能的情況下最好采用負前角刀片,因為它具有更高的強度和更好的經濟性——負前角刀片通常都是雙面刀片,具有更多切削刃可供使用。而在比較關注表面光潔度、刀具受力或積屑瘤的情況下,則應采用正前角刀片?!?


刀具制造商ATIStellram公司全球產品經理(車刀、螺紋刀具、切槽刀具)MartinGardner也同意Hill的看法。他推薦在這種加工中可以使用7°正前角的RCMT圓刀片,“這也許是在此類加工中最常用的刀片。它們被用于輪廓仿形加工和窄槽加工?!彼怪賦?,圓刀片切削刃的鈍化量不必過大,否則會產生較大切削力。


涂層與不涂層


除了考慮圓刀片的幾何角度以外,航空航天和石油天然氣行業的零件制造商還必須考慮是否采用涂層刀具。


首先需要考慮硬質合金刀具材料的組織結構。Gardner推薦采用亞微米晶粒的硬質合金基體用于無振動的連續切削。山高刀具公司的Graham對此表示贊同,“微米晶粒的硬質合金可以提高耐磨性和抗變形能力,在加工鎳基合金時,后者顯得尤其重要。切削鎳基合金時,會產生大量切削熱和切削壓力。鋼在紅熱狀態下會軟化,而鎳基超級合金在紅熱狀態下仍能保持其強度和硬度。因此,即使在紅熱狀態下,鎳基合金仍然會對刀片施加很大壓力?!?


Graham推薦,在加工硬度大于HRC32的高溫合金時,刀具應采用PVD涂層(而不是CVD涂層),因為PVD涂層通常較薄,能更好地保持刀具切削刃的鋒利度。他補充道,為了防止加工鎳基合金時常見的其它失效形式,如磨損、積屑瘤和月牙洼等,PVD涂層也是首選,因為其耐磨性更好。不過,在加工較軟的超級合金(如Inconel600)時,則應選用CVD涂層,因為此時刀片的主要失效形式是月牙洼磨損,而較厚的CVD涂層能更有效地防止月牙洼磨損。


山特維克可樂滿的Tisdall則推薦在大多數加工中通常應采用CVD涂層圓刀片?!壩捎贑VD涂層通常比較厚,因此可以提供更長的刀具壽命和更高的切削速度?!敝劣贑VD涂層比PVD涂層更容易產生刻劃磨損是CVD工藝本身的問題。Tisdall認為,CVD工藝會在刀片的硬質合金基體中產生η相,從而消耗掉基體中用于抵抗刻劃磨損的鈷結合劑,同樣,鈷結合劑的消耗也會削弱硬質合金基體。


雖然如此,Tisdall還是寧愿在加工超級合金時采用CVD涂層圓刀片,“圓刀片幾何形狀的強度和減薄切屑效應彌補了切削刃的內在弱點。而采用帶頂角的刀片——CNMG、DNMG或VNMG刀片與小導角刀具相結合加工超級合金時,采用PVD牌號則更合適?!?


Tisdall說,“另一個關鍵問題是,涂層可能會長時間粘附在切削刃線上。你最不想看到的是,當加工完一個大型航空零件后,卻發現由于刀片涂層已在切削過程中破損,而使零件加工尺寸不正確。你或者不得不設法返工補救,或者在只好將這個工件報廢,而這樣會造成很大的經濟損失?!?


一些航空零件生產企業仍然寧愿使用未涂層刀片,因為他們擔心在加工過程中涂層會污染工件。ATIStellram公司的Gardner說,“顯然,他們不愿意使零件受到腐蝕或發生變形,哪怕很短時間也不行。關于涂層擴散到母體材料中的問題已進行了許多研究,但我們從未發現PVD涂層擴散到材料中。盡管如此,一些航空發動機零件制造商還是喜歡采用未涂層刀片?!?


肯納公司的Battaglia認為,零件制造商可能會發現,盡管硬質合金涂層圓刀片性能不錯,但還不足以滿足他們的加工。與陶瓷刀具相比,涂層圓刀片的弱點在于其速度性能明顯受限。他解釋說,雖然有時候需要采用硬質合金刀片加工(如因機床存在局限性或工件夾具需要以較低速度運轉,或者對關鍵航空零件進行最終精加工時),但通常明確規定,硬質合金刀片應在低速下加工,以避免損壞工件或在工件表面形成“白層”。


陶瓷圓刀片


Greenleaf公司的Hill認為,硬質合金刀片(甚至是涂層的亞微米晶粒硬質合金刀片)目前還很難與陶瓷刀片并駕齊驅,“比如說,在加工典型的Inconel718合金時,即使采用我們的最佳硬質合金刀具加工方案,切削速度也只能達到300sfm,而且這還是輕載精加工而不是粗加工的速度。而陶瓷刀具卻能采用800-900sfm的切削速度?!?


陶瓷刀片可以如此高的速度進行加工,是因為其熔融溫度遠遠高于它所切削的任何金屬的熔點。例如,一種晶須增強的陶瓷圓刀片(由氧化鋁基體和碳化硅晶體構成)的熔點可高達2000℃以上。由于具有如此高的熔點,因此陶瓷刀片可在極高的溫度下抵抗變形和軟化。


盡管如此,Battaglia警告說,如果采用的切削速度過高,陶瓷圓刀片仍然會磨損。此外,他建議對陶瓷圓刀片的切削刃進行鈍化處理(也稱為T形刃帶倒鈍或刀尖半徑鈍化)。典型的T形刃帶位于前刀面上,寬度為0.05-0.1mm,角度為20°-25°?!叭綣捎梅胬那邢魅?,刃口裂紋很容易擴展。如果對切削刃進行了制備,就能將更多切削力引入刀具材料主體,從而抑制裂紋擴展,避免切削刃崩刃?!?


Graham介紹說,在現有刀具材料中,CBN刀片能夠采用比陶瓷刀片更高的切削速度(1,000sfm)進行加工。


謹慎選擇切削用量


Gardner認為,鑒于圓刀片的強度,需要小心地將其應用于工件(甚至是高鎳合金工件)的加工就不足為怪了。例如,圓刀片的最大切削深度不應超過刀具直徑尺寸的25%。如果超過了25%,刀具與工件接觸面積過大,將產生過大的切削壓力和切削熱,其結果不是損壞刀片,就是損壞工件。


對于凹槽車削,為了減小損壞圓刀片或工件的可能性,Tisdall推薦采用不同于插車和外圓車削的擺線車削方式。在插車和外圓車削加工中,刀片在切入工件時要承受很大壓力,并橫向移動切削工件材料,直至到達槽壁位置。刀片承受的壓力可能會導致崩刃,并造成刀具完全失效。而擺線車削的切削深度較小,Tisdall說,“刀片切入工件很淺,只需采用較小的切深,在向槽壁位置切削時,刀片與工件的接觸長度也不大?!?


Tisdall還描述了一種插車和外圓車削的“滾入法”。作為一種數控編程加工技術,該方法在刀片退出插切時引入了一個半徑?!罷饈潛3值鍍牘ぜ喲ザ換嵯蛞桓霾煌姆較蟯蝗輝碩牧硪恢址絞?。比如說,刀片從Z軸方向插切進入,然后轉向X軸方向,并沿著X軸移動切削,這將使刀片承受很大的切削壓力。為了減小作用于刀片上的壓力,我們在此采用了一個轉彎半徑?!?


此外,機床操作者也可以改變圓刀片的切入角以減小切屑厚度。Gardner說,“我們總是希望減薄切屑。當通過改變切入角減薄切屑時,我們就能提高生產率,減少產生的切削熱。切削產生的熱量越多,摩擦越厲害,工件材料反射回刀具的熱量也越多,將導致刀片燒傷。當然,避免刀片過熱燒傷并不意味著過于保守地使用圓刀片。


圓刀片不能切削小半徑轉角,也不適合加工復雜輪廓,但它具有比其他任何形狀刀片更高的強度,可用于大進給切削。通過采用適當的前角和合理的切削策略,圓刀片在完成車削高鎳合金材料(用于加工在極端環境下工作的飛機噴氣發動機零件和油田井下零件)的困難任務中將會有卓越的表現。


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