刀片研發(fā)助高溫合金車削一臂之力

Insert developments for improving turning of heat resistant super alloys

 
    在談到車削高溫合金時，由于其加工方法不只一種，“加工方法”往往成為關鍵字。高溫合金材料對機床的要求可能是最高的。在這一領域，切削刀具和應用知識已歷經了長時間的發(fā)展，有助于為高溫合金車削的加工性能和加工結果再上新臺階而鋪平道路。
新研發(fā)的獨特的刀具材料與切削槽形的組合填補了這一領域的空白。
 
挑戰(zhàn)：可加工性較差
    高溫合金（HRSA）對機床的要求很高，原因在于這類材料在高溫下有很高的強度。這些性能使其作為零件材料頗具優(yōu)勢，但是由于其機械負荷高，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準）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溫度時才有較大改變。但從可加工性方面來看，這也意味著：
-          所需功率更高；
-          需要超穩(wěn)定的加工工況；
-          對切削刃的要求很高；       
-          優(yōu)化的冷卻液應用；    
-           在應用中選擇最適合的刀具。 
 
    切削刃受到高應力、高應變和高熱量的組合影響時，很容易生成諸多有害的磨損。 很大的壓縮力和剪切力會作用于切削刃上，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，這可能會引起其它類型的磨損，會導致在零件上形成過多毛刺，并使后續(xù)的工序變得更加困難。
 
    在加工高溫合金材料時，切削速度自然是有限的，因此，加工時必須保持遠低于大多數工件材料的切削速度。在加工高溫合金材料時，要綜合考慮切削參數：速度、進給量和切削深度，這些切削參數直接決定一個工序是否能順利完成。
 
    在加工之前需要認真規(guī)劃高溫合金材料的加工工藝，因為這是關鍵性的決定因素。 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、還是材料已經時效等，這些都會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。結合刀片槽形，切削刃的進入角是獲得高刀具性能、長使用壽命、高安全性和理想加工結果的決定因素。通常會根據切削要求選擇刀片形狀，但事實上，采用小的進入角有助于提高刀具性能和壽命，這絕對是應用中很重要的組成部分。因此，刀片材質的選擇部分與進入角的大小有關。除此之外，進入角還影響磨損類型，主要是溝槽磨損，其溝槽大小會影響到加工結果，導致刀具過早到壽命。了解了正確的應用方法也意味著可以選擇能實現更高生產效率的刀片材質。
 
    圓形刀片具有最強壯的切削刃，通過改變切深，主偏角是變化的，當然，切深要合理，最大深度達刀片直徑的四分之一。為達到更大切削深度，最好使用具有恒定的45°進入角的方形刀片。對于較小的切削深度，精加工時切削深度不是問題，可提高進給率，以獲得足夠厚的切屑，同時可提高生產效率。一般來說，對于精加工而言，刀尖半徑應總是盡可能要大些。為了盡可能減少溝槽磨損趨勢，應該考慮到在進刀或轉角處刀片的滾動動作的編程問題。此外，為進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。  
 
  對于車削工序，如車削進入拐角，使用菱形80°刀片是很理想的，可通過使用帶有特殊倒角拐角的刀片限定進入角。山特維克可樂滿已經開發(fā)出了專用于高溫合金車削的Xcel型刀片。與圓刀片相比，該類刀片在有限空間內具有較好的可達性和較大的進給量，其進入角可以盡可能減少溝槽磨損，同時提供均勻的切屑厚度和較低的徑向力。通過這種方法，Xcel型刀片提供了具有93°刀具的可達性優(yōu)勢和45°進入角優(yōu)勢的解決方案，其切削深度適用于半粗加工工序。
 
專用刀具材料的必需性
    根據高溫合金材料的特定需求，刀片材質和槽形需要搭配使用。 切削刃必須具有較高的硬度、適當的韌性和充分的涂層粘合性。 加工這種材料的可轉位刀片要具有以下特性：正前角刀片槽形、鋒利但強壯的切削刃以及相對開放的斷屑槽。
 
    刀片材質的選擇會受到車削工序類型——粗加工、半精加工或精加工的影響，同時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，在選擇刀片材質時，必須始終考慮切削刃塑性變形這一主要風險 （溝槽磨損主要受到進入角和切削深度的影響）。 在刀片形狀已確定，選擇刀片材質時，應首先判斷是連續(xù)切削還是間斷切削，因為這涉及到刃口強度問題和切削負荷。
 
    車削根據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，山特維克可樂滿已經開發(fā)出了專用于高溫合金材料的新型刀片材質系列。 
 
刀片材質——優(yōu)化后的正確選擇
    按照慣例，刀片材質的選擇通?；谒婕暗氖谴旨庸み€是精加工工序，當然這只是高溫合金車削考慮的其中一個方面。 在高溫合金車削中，塑性變形作為一種磨損形式，始終是一個存在的風險，需要改善刀片材質來避免或減小。 另一方面，溝槽磨損作為另一種主要磨損形式，它主要由進入角的大小和所用刀片的形狀來決定。 因此，材質選擇在很大程度上基于刀片形狀。
 
    硬質合金材質的優(yōu)點在于它可以實現耐磨性和韌性之間的平衡。 因此，用于高溫合金材料車削的硬質合金材質為具有較高熱硬度和良好韌性的細晶粒涂層刀具。 GC1105是首選的通用型材質，可用于所有三個加工階段，以及當進入角較大時（例如在必須使用80°或55°刀片但進給量適中時）同樣表現優(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材質將有助于盡可能減少與切屑撞擊和溝槽磨損相關的問題。 當需要利用有關刀片整體韌性的其他方案來優(yōu)化粗加工工序時，可以選擇使用非涂層材質，例如H13A。
 
    精加工期間需要有較高的熱硬度和較好的熱障。 SO5F材質經過優(yōu)化，適用于45°進入角，且是使用方形或圓形刀片的最終加工階段的理想材質。 該材質主要是為了優(yōu)化精加工中的生產效率而開發(fā)，同樣，與破損后的刀片加工做對比，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力輪廓。
 
    陶瓷刀片材質可以在高溫合金的粗車工序中實現很高的生產效率。 其應用與硬質合金材質的應用有很大的不同，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生破壞性的磨損。 陶瓷材質需要正確的刀具路徑和進刀/退刀，且用于特定的切屑厚度范圍內。 它們也需要特定的切削刃，以利用適當的加工方法——理想情況下是使用圓形或方形刀片以45°進入角加工。
 
    兩種新型賽阿龍?zhí)沾刹馁|適用于半精加工到粗加工，在開始和中間階段切削時可獲得極高的生產率。 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穩(wěn)定性以降低溝槽磨損。 在正確應用時，陶瓷的切削速度是硬質合金材質的好幾倍。 陶瓷材質的高速和園刀片的高強度組合可以提高生產率。
 
    賽阿龍?zhí)沾刹馁|CC6060適用于較長的切削長度，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。 該材質具有較強的抗溝槽磨損性，且更適用于預加工的工件。 對于粗加工而言，賽阿龍材質CC6065具有更好的整體韌性，在重型粗加工和插車（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，該材質可通過較高進給率提高生產效率，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CC670是經過碳化硅晶須加強的刀片材質，其中碳化硅晶須在刀片主體材料內隨機排列。 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。 和傳統的陶瓷材質相比，CC670主要具有較高的強度。 目的是對具有橢圓表面和圓形表面氧化皮的鍛造工件進行車削，這在第一個加工階段經常遇到。
 
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，其設計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，用于普通車削的新型S槽形雙面刀片，使加工安全性上了一個新的臺階，并能滿足對表面質量的高要求。
 
        在半精車和中等車削中，SM槽形通常是首選。 在中間加工階段應用廣泛，刃口鋒利且切屑控制好，對于長時間連續(xù)加工性能優(yōu)異。在中等到輕載粗車中需要更好的刃口強度，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度和進給能力。
 
    在對高溫合金工件進行精加工時，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量；對于半精加工和精加工，SF槽形加工精度高，被加工表面質量好，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、長時間的連續(xù)加工中表現良好。
 
高溫合金材料車削時的幾點建議
    最后，對于這類材料的車削，工序的優(yōu)化主要是使材料特殊性的影響和應用場合達到一個很好的平衡點。 成功車削高溫合金，有幾個主要的原則：
-          提前認真進行計劃，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位刀片
-          認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
-          使用螺旋切削長度計算方法預測切削
-          正確使用冷卻液——最好使用高壓冷卻（HPC）
 
圖片說明

圖1 ：選擇正確的切削刃是高溫合金材料車削中的一個非常重要的因素。 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°刀具的可達性優(yōu)勢和45°進入角優(yōu)勢的解決方案，其切削深度適用于半粗加工工序。

           
圖2：車削高溫合金材料時，溝槽磨損和塑性變形是威脅切削刃的兩個主要方面。 溝槽磨損與所采用的進入角有關，因此可通過選擇最適當的刀片形狀得到極大的改善。 切削刃上較高的壓力和切削溫度可導致塑性變形。 選擇正確的刀片材質對于縮短刀具使用壽命和安全性所面臨的威脅而言至關重要。
 

圖3：有關高溫合金材料切削方法的部分問題涉及刀具路徑的編程。 進刀、退刀、仿形加工、拐角車削、肩部和凹窩都是詳細加工策略的一部分。

圖4：在正確應用中，陶瓷材質的切削速度是硬質合金的幾倍。 它與圓形刀片的強度形成了有效組合，可以提高生產率。 賽阿龍?zhí)沾刹馁|CC6060適用于長時間連續(xù)加工以及采用優(yōu)化編程技術進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，可以預測刀具壽命。 用于普通車削的新型S槽形雙面刀片使加工安全性上了一個新的臺階，并能滿足對表面質量的高要求。
 
 

-End-