Friday, June 20, 2008

淬火鋼的切削加工www.tool-tool.com

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1.什麼是淬火鋼?它有哪些切削特點?

淬火鋼是指金屬經過淬火後,組織為馬氏體,硬度大於HRC50的鋼。它在難切削材料中佔有相當大的比重。

加工淬火鋼的傳統方法是磨削。但為了提高加工效率,解決工件形狀複雜而不能磨削和淬火後產生形狀和位置誤差的問題,往往就需要採用車削、銑削、鏜削、鑽削和鉸削等切削加工方法。淬火鋼在切削時有以下特點:

(1)硬度高、強度高,幾乎沒有塑性:這是淬火鋼的主要切削特點。當淬火鋼的硬度達到HRC5060時,其強度可達σb=21002600 MPa,按照被加工材料加工性分級規定,淬火鋼的硬度和強度均為9a級,屬於最難切削的材料。

(2)切削力大、切削溫度高:要從高硬度和高強度的工件上切下切屑,其單位切削力可達4500 MPa。為了改善切削條件,增大散熱面積,刀具選擇較小的主偏角和副偏角。這時會引起振動,要求要有較好的工藝系統剛性。

(3)不易產生積屑瘤:淬火鋼的硬度高、脆性大,切削時不易產生積屑瘤,被加工表面可以獲得較低的表面粗糙度。

(4)刀刃易崩碎、磨損:由於淬火鋼的脆性大,切削時切屑與刀刃接觸短,切削力和切削熱集中在刀具刃口附近,易使刀刃崩碎和磨損。

(5)導熱係數低:一般淬火鋼的導熱係數為7.12 W/(mK),約為45號鋼的1/7。材料的切削加工性等級是9a級,屬於很難切削的材料。由於淬火鋼的導熱係數低,切削熱很難通過切屑帶走,切削溫度很高,加快了刀具磨損。

2.怎樣選擇切削淬火鋼的刀具材料?

合理選擇刀具材料,是切削加工淬火鋼的重要條件。根據淬火鋼的切削特點,刀具材料不僅要有高的硬度、耐磨性、耐熱性,而且要有一定的強度和導熱性。

(1)硬質合金:為了改善硬質合金的性能,在選擇硬質合金時,應優先選擇加入適量TaCNbC的超細微粒的硬質合金。因為在WC-Co類硬質合金中,加入TaC以後,可將其原來的800℃高溫強度提高150300 MPa,常溫硬度提高HV40100。加入NbC以後,高溫強度提高150300MPa,常溫硬度提高HV70150。而且TaCNbC可以細化晶粒,提高硬質合金抗月牙窪磨損的能力。TaC還可以降低摩擦係數,降低切削溫度,增強硬質合金抗熱裂和熱塑性變形的能力,同時也將WC的晶粒細化到0.51μm,其硬度提高HRA1.52,抗彎強度可提高600800 MPa,高溫硬度比一般硬質合金高。

常用來切削淬火鋼的硬質合金牌號有:YM051YM052YN05YN10600610726758767813等。

(2)熱壓復合陶瓷和熱壓氮化硅陶瓷:在Al2O3中加入TiC等金屬元素並採用熱壓工藝,改善了陶瓷的緻密性,提高了氧化鋁基陶瓷的性能,使它的硬度提高到HRA95.5,抗彎強度可達到8001200 MPa,耐熱性可達1200℃~1300℃,在使用中可減少粘結和擴散磨損。其主要牌號有AG2AG3AG4LT35LT55AT6等。氮化硅基陶瓷是在Si3N4中加入TiC等金屬元素,其硬度為HRA9394,抗彎強度為7001100 MPa。其主要牌號有HS73HS80F85ST4TP4SMHDM1HDM2HDM3。這兩種陶瓷適用於車、銑、鏜、刨削淬火鋼。

(3)立方氮化硼復合片(PCBN)刀具:它的硬度為HV80009000,復合抗彎強度為9001300 MPa,導熱性比較高,耐熱性為1400℃~1500℃,是刀具材料中最高的。它十分適合於淬火鋼的半精加工和精加工。

綜上所述,切削淬火鋼最好的刀具材料是立方氮化硼,其次是復合陶瓷,再其次是新牌號硬質合金。

作者:鄭文虎 張玉林 詹明榮

3.怎樣選擇切削淬火鋼刀具的幾何參數?

切削淬火鋼時,光有好的刀具材料,而沒有合理的刀具幾何參數,也不能達到滿意的效果。所以要根據具體的刀具材料、工件材料和切削條件,合理地選擇刀具幾何參數,才能有效地發揮刀具材料應有的切削性能。

(1)前角:前角的大小對切削淬火鋼影響很大。由於淬火鋼的硬度、強度高,切削力大,而且集中在刀具刃口附近。為了避免崩刃和打刀,前角應選零度和負值,一般γ0=-10°~0°。工件材料硬度高、斷續切削時,應選較大的負前角,γ0=-10°~-30°。如果採用正前角可轉位刀片時,應磨出bγ=0.51 mm寬,γ01=-5°~-15°較大的負倒稜,以增強刀刃強度。

(2)後角:切削淬火鋼刀具的後角應比一般刀具的後角大一些,以減小後刀面的摩擦,一般α0=8°~10°為好。

(3)主偏角和副偏角:為了增強刀尖強度和改善散熱條件,主偏角κr=30°~60°,副偏角κr=6°~15°。

(4)刃傾角:刃傾角為負值時,可以增大刀尖強度。但負值太大時,會使Fp力增大,在工藝系統剛性差時,引起振動。所以在一般情況下,λs=-5°~0°;斷續切削時,λs=-10°~-20°;硬齒面刮削滾刀,它的刃傾角λs=-30°。

(5)刀尖圓弧半徑:它的大小影響刀尖強度和已加工表面粗糙度。因工藝系統剛性的影響,刀尖圓弧半徑γε=0.52 mm為宜。

切削淬火鋼刀具,在合理選好幾何參數的基礎上,必須經過仔細刃磨和研鐾,提高刀具各表面的刃磨質量,使刀具耐用度得到提高。

4.怎樣選擇切削淬火鋼時的切削用量?

切削加工淬火鋼的切削用量,主要根據刀具材料、工件材料的物理力學性能、工件形狀、工藝系統剛性和加工餘量來選擇。在選擇切削用量三要素時,首先考慮選擇合理的切削速度,其次是切削深度,再其次是進給量。

(1)切削速度:一般的淬火鋼耐熱性在200℃~600℃,而硬質合金的耐熱性為800℃~1000℃,陶瓷刀具的耐熱性為1100℃~1200℃,立方氮化硼的耐熱性為1400℃~1500℃。除高速鋼外,一般淬火鋼達到400℃左右時,它的硬度開始下降,而上述刀具材料仍保持它原有的硬度。所以在切削淬火鋼時,充分利用上述這一特性,切削速度不宜選擇太低或太高,以保持刀具有一定的耐用度。從目前的經驗來看,不同的刀具材料切削淬火鋼的切削速度,硬質合金刀具Vc=3075 m/min;陶瓷刀具Vc=60120 m/min;立方氮化硼刀具Vc=100200 m/min。在斷續切削和工件材料硬度太高時,應降低切削速度,一般約為上面最低切削速度的1/2。在連續切削時的最佳切削速度,以切下的切屑呈暗紅色為宜。

(2)切削深度:一般根據加工餘量和工藝系統剛性選擇,一般情況下,αp=0.13 mm

(3)進給量:一般為0.050.4 mm/r。在工件材料硬度高或斷續切削時,為了減小單位切削力,應當減小進給量,以防崩刃和打刀。

5.怎樣用陶瓷刀具切削淬火鋼

採用陶瓷刀具材料切削淬火鋼,比用硬質合金切削淬火鋼,有其顯著的效果。這主要表現在陶瓷刀具的硬度和耐熱性高於硬質合金。用它來製造的車刀、銑刀、螺紋刀具,均可成功地切削淬火鋼,其耐用度均高於YT05643YM052等硬質合金。

(1)充分發揮陶瓷刀具材料硬度和耐熱性比硬質合金高這一特點,選擇的切削速度應高於硬質合金切削淬火鋼的切削速度,一般高50%。如在切削速度50 m/min時,陶瓷刀具的後刀面磨損量與硬質合金接近。當切削速度增至95 m/min時,它的耐磨性遠遠高於YT05等硬質合金。如用陶瓷刀片作成的三面刃銑刀,以102 m/min的切削速度銑完深5.2 mm、寬16 mm、長700 mm的淬火鋼鍵槽,刀具基本上無磨損。

(2)陶瓷刀具在切削中受衝擊載荷時,刀具應選擇小的主偏角、大的刀尖圓弧或採用圓形刀片,以增加刀尖強度,避免刀具損壞。如採用圓形陶瓷刀片作成的機夾端銑刀,銑削淬火鋼,Vc=120150 m/minVf=230290 mm/min,αp =12 mm

(3)應採用負前角和負刃傾角,以利於增加刀刃和刀尖強度。刀刃和刀面的粗糙度Ra要小於0.4μm

(4)切削時一般不用切削液,若要用,要自始至終充分供給,否則刀片會因熱脹冷縮而產生裂紋。

(5)陶瓷刀具的抗彎強度低於硬質合金的抗彎強度,為了減小刀具單位面積受力,切削時進給量要小一些,一般為f=0.080.15 mm/r

6.怎樣使用立方氮化硼刀具切削淬火鋼

立方氮化硼刀具(CBN)不僅是製造磨具的好材料,而且它容易修磨(可用金剛石磨輪刃磨),也是用於製造車刀、鏜刀、銑刀、槍鑽、鉸刀、齒輪刀具等的好材料。CBN主要用來切削各種淬火鋼,也可用來切削其他難切削材料。它不僅有很高的金屬切除率,而且有很好的表面加工質量。切削各種淬火鋼可以有效地代替磨削,減少加工工序,提高生產率。現在市場上所銷售的CBN刀片,大都以它與硬質合金復合片的形式,作成可轉位刀片或刀具,其目的就是提高CBN刀片的抗彎強度。

由於CBN刀具的硬度高(HV80009000),耐熱性高(1400~1500),在使用時能允許以高於硬質合金幾倍的切削速度切削淬火鋼,而耐用度是硬度合金的幾倍到幾十倍。表面2-1為切削淬火鋼時CBN刀具與硬質合金刀具對比。

國內生產CBN刀片的廠家有成都工具研究所,生產的牌號為LDPJ;第六砂輪廠生產的DLSF1DLSF2DLSF3。還有不少廠家生產CBN可轉位刀片和焊接刀。LDPJDLSF1主要用於切削各種淬火鋼。DLSF2主要用於切削各種鑄鐵。DLSF3主要用於切削高溫合金和鈦合金。

CBN刀具不適於低速切削,CBN刀具靠切削時所產生的切削熱,在切削區微小的範圍內軟化工件材料來切削的。

在切削硬度為HRC5565的材料時,CBN刀具的切削速度應在50120mmin。銑削時的Vc=100160 m/min,每分鐘進給量Vf=70160 mm/min;鉸削時Vc=60130 m/minap=0.10.2 mmf=0.070.2 mm/rCBN刀具主要用於淬火鋼的半精加工和精加工。其加工表面不會像磨削那樣產生燒傷現象,效率比磨削高十倍左右。

CBN刀具切削淬火鋼時的幾何參數是γ0=-15°~-5°,α0=α0=10°~15°,κr=30°~60°,κr=5°~15°,λs=0°~10°,γε=0.31 mm

7.用CBN刀具切削淬火鋼時,在哪些情況下代替磨削最為有效?

(1)在數控機床上切削複雜的表面和幾個複雜的表面,代替磨削工序,可以減少1/32/3的勞動量,而且能保證很高的位置精度。

(2)形狀複雜的內孔或小孔。如採用磨削,要求砂輪的形狀也相應複雜,有的時候無法磨削,這時採用車削最為有利。

(3)一個零件幾個表面(外圓、內孔、端面、階台、溝槽)都需磨削,這時採用車削,一道工序即可完成,可減去磨削用的工裝。

(4)零件淬火後易變形和留余量小時易造成廢品,這時可留余量大一些,待淬火後,再用CBN刀具切除多餘余量,再磨削,以減少因變形大而產生的廢品。

(5)在加工載荷變動量很大的,困難條件下使用的表面高頻零件,採用CBN刀具加工,工件表面組織和物理力學性能較磨削時好,可以延長零件的使用壽命。

8.怎樣車削淬火鋼滾絲輪的螺紋?

淬火後滾絲輪的螺紋,一般都採用螺紋磨床磨削。但為了提高加工效率和解決沒有螺紋磨的困難,也可採用車削的方法加工。

(1)滾絲輪的技術要求:坯料材質為Cr12MoV合金工具鋼,經淬火後硬度為HRC59,牙距為1.5mm,螺紋頭數為10頭,半角α/23025′,牙深為0.922mm,牙尖高h1(0.435±0.042)mm,牙根高h2(0.487(0.010/0.029)mm

(2)機床與刀具:機床是大連生產的8955290mm鏟齒車床,機床附件為分度盤。刀具分粗車刀和精車刀,刀具材質為YM052硬質合金。刀具幾何參數為:γ。=-3o,α。=5o,α′=0o~2o,εr60o20′,λs=-5o,前刀面向螺旋方向傾斜3o。各角度在工具磨磨好後,用金剛石油石鐾研,並在主、副刀刃和刀尖處鐾出負倒稜。

(3)切削用量:切削速度26.2 m/min,粗車螺紋aP0.10.15mm,精車aP0.050.08mm。在車削中,每走一次刀,分一次頭,以保證每齒均勻地去除余量。

(4)注意事項:為了防止切入切出時刀尖崩刀,在螺紋的兩端各倒30o角。為了準確地控制每次吃刀深度,在橫向進刀放一百分表。

9.怎樣鑽取出在螺紋孔中折斷的絲錐?

用絲錐攻螺紋時,稍微不慎或攻難切削材料的螺紋,往往把絲錐扭斷在孔中,不易取出,使工件成為廢品。為了減少廢品,採用電火花把斷在孔中的絲錐打掉或用硬質合金鑽頭鑽掉。採用硬質合金鑽的辦法簡單,工人易掌握。

(1)刀具:用硬質合金圓棒,磨成如圖2-1所示的四稜鑽,材質為YG6XYM052813等。鑽頭直徑應大於絲錐心部直徑。

(2)操作注意事項:在校正好鑽頭和孔的位置後,要把鑽頭和工件固定好。斷在螺孔中的絲錐頭部不平整,開始鑽時一定要慢,以免傷了螺孔和把孔鑽歪。鑽時的切削速度為2025m/min,要隨時觀察鑽削的情況,及時清除絲錐的碎塊和切屑,直到把斷在孔中的絲錐鑽掉。

10.怎樣用高速鋼鑽頭鑽削硬材料?

這裡所說的硬材料是指熱處理後,其硬度為HRC3842的 材料,或在零件表面經過滲碳、氰化、鍍鉻後,有一層硬化層的表面。在這樣硬的材料或表面上鑽孔,十分困難,有時只能在表面上鑽出一個小坑,鑽頭就發出吱吱 叫聲,出現嚴重磨損。這時在沒有硬質合金鑽頭的情況下,可採用改變了幾何參數的高速鋼鑽頭,也能成功地鑽削上述硬材料。鑽硬材料群鑽參數見圖2-2

為了增加刀刃強度,改善散熱條件,採用了減小前角、加大圓弧槽半徑和外緣刃的刀尖角的辦法。鑽頭的幾何參數如圖2-2所示。鑽孔時應選較短的鑽頭,以增強鑽頭的剛性。工件剛性不足時要增加輔助支承。鑽削用量一般選取νc25m/min,進給量f0.030.05mm/r或手動進給。切削液應選用切削油或極壓切削油。


11.用立方氮化硼磨輪磨削高速鋼有哪些優點?

高速鋼是淬火鋼中有特殊用途的鋼種。立方氮化硼磨輪特別適用於磨削高速鋼。由剛玉砂輪磨削高速鋼,特別是磨高釩高速鋼時,磨削力大,磨削溫度高,易發生燒傷,磨粒磨損快,易堵塞,易脫粒,磨削困難。如用立方氮化硼磨輪磨削W18Cr4VW2Mo9Cr4VCo8W6Mo5Cr4V5SiNbA1W6Mo5Cr4V5Co3SiNbA1W10Mo4Cr4V3A15種高速鋼的試棒時,累計磨去17 mm,磨輪仍然很鋒利。又如用鍍銅的立方氮化硼磨粒的磨輪,磨削W6Mo5Cr4V5SiNbA1高速鋼拉刀,可磨150個刀齒,而用白剛玉砂輪一個刀齒也磨不動,單晶剛玉加微晶剛玉砂輪只能磨出78個刀齒。

立方氮化硼磨輪磨削高速鋼有很高的耐用度。它的磨損量是單晶剛玉的1/64,是綠色碳化硅的1/104,是白剛玉的1/99

立方氮化硼磨輪磨削高速鋼有很高的磨削比。用它磨削高釩高速鋼(W12Cr4V5Co)的磨削比為140,而剛玉類砂輪是10,金剛石磨輪是16。用它磨削超硬高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8)的磨削比為660,而剛玉砂輪是10,金剛石磨輪是18。用它磨削鎢鉬高速鋼(W6Mo5Cr4V2)的磨削比為980,剛玉類砂輪為10,金剛石磨輪的磨削比為20

立方氮化硼磨輪磨削高速鋼時可以避免燒傷。當用剛玉砂輪磨削高速鋼時,很快就磨損,如不及時修整,就會出現燒傷,影響磨削質量。而立方氮化硼磨輪,直到磨耗完也不需要修整,也不會出現燒傷。

立方氮化硼磨輪有很高的切削能力,單位磨削功率比剛玉砂輪小2/35/6

12.切削淬火鋼的實例有哪些?

淬火鋼的切削,是難切削材料最有代表性的一種。以前人們認為它硬度高,只能磨削。現在由於切削技術的進步,以車削、銑削、刨削和鑽削代替磨削也習以為常了。

(1)車冷鐓軸承滾子模具頂桿,材質為合金工具鋼Crl2MoV,淬火後硬度為HRC6266。由於工件細長,怕淬火,變形大,留了2 mm的余量,給磨削帶來困難,改為車削。採用LT55的陶瓷車刀,刀具幾何參數是:γ。=-8o,α。=8oκr75o,κ′r15o,γε0.5mm。切削用量是:νc35 m/minaP0.30.5mmf0.10.2mm/r。刀具耐用度為25min,表面粗糙度為Ra3.21.6μm

(2)刨淬火後的高速鋼,材質為W18Cr4V,硬度為HRC64,工件尺寸120mm×40mm。刀具材料為YM052硬質合金。刀具幾何參數是:γ。=-10o,α。=6o~8o,κr45o,κ′r15o,γs=-10o,γε1mm。切削用量是:νc8 m/minaP0.50.8mmf0.10.15mm/行程,刀具耐用度為21min,表面粗糙度為Ra3.2μm

(3)用立方氮化硼刀具車削淬火後的軸承鋼(GCrl5),硬度為HRC62。工件為軸承外環。刀具幾何參數是:γ。=-6o,α。=8o,κr45o,κ′r45o,γε1.2mm,λs0o。切削用量是:νc115 m/minaP0.3mmf0.10.2 mm/r。刀具耐用度為55min,表面粗糙度為Ra1.6μm

(4)鑽鉸淬火鋼小孔,工件材質為GCrl5,淬火後的硬度為HRC5860。鑽孔直徑為聲ψ4(0.03,0)mm,深為10mm。此孔是產品改進後加鑽的。鑽頭和鉸刀的材質為YG6X硬質合金,鑽頭形式為非標準麻花鑽,鉸刀為雙刃鉸刀,採用鑽鉸兩道工序,使用的機床是台式鑽床。切削速度為νc15.5 m/min,手動進給。刃磨一次鑽頭可鑽100多個孔,鉸孔200個以上,質量完全符合工藝要求。

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