切削加工不锈钢用CA65系列涂层刀具
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由于不锈钢属于难切削材料,因此在加工时选择适当的切削条件和切削刀具非常重要。为了解决不锈钢特有的切削加工难题,日本京陶公司对刀具材料和刀具形状进行了深入细致的研究,开发了包含多项最佳技术的切削不锈钢用CA65系列涂层刀具。
不锈钢具有耐腐蚀、耐热、耐久、无磁性等优良特性,广泛应用于家电产品、厨房用品、IT相关零件、汽车零件、建筑构件等领域,尤其适合用于制造各种阀门和连接件。由于不锈钢属于难切削材料,因此在加工时选择适当的切削条件和切削刀具非常重要。与普通钢相比,不锈钢的切削加工具有以下难点:①抗拉强度高,延伸率大、容易产生毛刺;②与刀具材料具有亲和力,容易引起粘刀;③热传导系数小,切削时容易产生高温;④具有较强的加工硬化趋势,容易引发刀具的极限损伤和崩刃。
为了解决不锈钢特有的切削加工难题,日本京陶公司对刀具材料和刀具形状进行了深入细致的研究,开发了包含多项最佳技术的切削不锈钢用CA65系列涂层刀具。

图1 刀尖形状的对比

图2 切削后粘刀状况的对比

图3 涂层的剖面组织

CA65系列涂层刀具的特点

(1)刃口精细化处理技术

在不锈钢(尤其是延展性非常大的奥氏体不锈钢)的切削加工中,容易产生切削终端毛刺和断续切削毛刺,由于加工硬化作用,这些毛刺的硬度约为材料原来硬度的2倍,加上毛刺的基体富于延展性,使去除毛刺工序难度很大。
为了在切削加工中抑制毛刺的产生,京陶公司采用刃口精细化处理(Fine Edge Treatment,FET)技术对CA65刀具的刀尖进行了精细化处理(处理程度为原有刀具的1/2),与原有刀具的刀尖形状相比(见图1),经FET技术处理后的刀尖切削性能显著提高,在奥氏体不锈钢的切削加工中可有效抑制毛刺的产生。由于切削性能的改善,减轻了被加工表面的加工硬化现象,在其后切削到硬化层时,刀具不易出现极限损伤,从而减轻了刀具的切削负荷。

(2)金黄色涂层技术

在不锈钢的切削加工中,极易产生粘刀现象。在切削初期阶段,粘刀是造成涂层脱落和粘结磨损的主要原因。被加工材料粘着在刀具前刀面上,会阻碍切屑排出,增大摩擦力,并使切削温度迅速升高。此外,不锈钢的热传导系数比普通钢小,切削热很难随切屑一起排出,也容易在刀尖部位形成高温。这是引起刀具材料性能降低、刀具寿命缩短以及加工尺寸精度变化的根源所在。为了解决粘刀问题,CA65刀具采用了用PICA(Physical Innovation for Coating Advance)技术对涂层表面凹凸不平进行平滑化处理的金黄色涂层,从而可有效减少粘刀现象的发生,同时也减少了因刀具前刀面凹凸不平而造成的破坏源,防止刀具发生微小崩刀及突发性崩损。CA65刀具切削后刀尖的粘刀状况比原有刀具有了显著改善(见图2)。

(3)TiCN超级薄膜涂层

在不锈钢切削中,刀具容易发生极限损伤,经常造成刀尖和后刀面尚未正常磨损刀具就提前失效,无法继续使用。为了减少极限损伤的发生,CA65刀具采用了具有高结合强度、高硬度和高韧性的TiCN超级薄膜涂层(见图3)。这种厚度薄而结合强度高的CVD TiCN涂层具有优异的抗极限损伤性能和抗崩刃性能,即使在刀尖承受强烈冲击的断续切削条件下,也不容易产生涂层剥落和刀具崩损,可实现稳定的切削加工。

(4)MS、MU专用断屑槽型

切削加工不锈钢用断屑槽型追求的不仅是减小切削抗力,还应确保能抵抗极限损伤的强度。图4为切削加工不锈钢用的MS、MU断屑槽型。

图4 切削加工不锈钢用断屑槽型
作为首选断屑槽型的MS断屑槽型的特点为:①正倒棱;②切削性能与刃口强度兼备;③良好的断屑、排屑性能。该断屑槽型适用于范围广泛的切削加工,带正前角的高强度切削刃能承受断续切削的强烈冲击,并将极限损伤减小到最低限度,使切削性能与切削刃强度达到最佳平衡。
MU断屑槽型的特点为:①大前角;②低切削抗力;③可抑制极限磨损和毛刺。该断屑槽型适用于中粗切削加工,是对MS断屑槽型的补充。由于采用了大前角,因此降低了切削抗力,抑制了被加工材料的加工硬化趋势。此外,刀片的断屑、排屑负荷被减小到最低限度。该断屑槽型追求的是对切削刃冲击小、切削刃强度不太高但能抑制极限损伤的产生。

刀具材料种类及适用范围

图5为切削加工不锈钢用刀具材料的种类构成和适用范围。为了能切实应对不锈钢的各种切削加工条件,京陶公司推荐了通用刀具材料CA6525、重视耐磨性的刀具材料CA6515和重视稳定性的刀具材料PR1125。利用这3种刀具材料,能广泛应对高速切削、连续切削、轻型及重型断续切削的需求。

图5 不锈钢加工用刀具材料

(1)CA6525通用刀具材料

CA6525是能广泛应对从连续切削到断续切削的通用型刀具材料,由于采用了上述技术和高韧性基体材料,因此对于不锈钢的连续和断续切削都能实现优异的稳定性和长寿命。

(2)CA6515高速切削用刀具材料

CA6515是高速连续切削用刀具材料,具有极好的耐磨性能,由于采用了上述技术和抗塑性变形能力优良的高硬度基体材料,因此在高速加工中可实现抗塑性变形和抗崩刃性能兼优以及良好的加工稳定性。

(3)PR1125断续切削用刀具材料

PR1125是一种对CA6525的抗崩刃性能进行了改进的刀具材料,可在不锈钢轻型到重型断续切削范围内发挥稳定的加工性能。PR1125采用了抗崩刃性能优异的微细晶粒硬质合金基体和TiAl系PVD涂层,即使在苛刻的断续切削条件下也能稳定地进行切削加工。

加工实例

实际生产现场的3个加工实例见下表。
表 加工实例
 加工实例1加工实例2加工实例3
产品名称外圈六角螺钉六角形轴
工件材料SUS431SUS316 
工件形状
切削条件Vc=200m/min
ap=2.5mm
f=0.25mm/r
湿式切削
Vc=110m/min
ap=0.7mm
f=0.12mm/r
湿式切削
Vc=75m/min
ap=2.0mm
f=0.27mm/r
湿式切削
刀具型号WNMG080408PSCNMG120408MSWNMG080408MS
结果试验刀具CA6525:40个/刀尖CA6525:510个/刀尖CA6525:65个/刀尖
原有刀具30个/刀尖400个/刀尖50个/刀尖
评价可提高切削速度
(原有刀具为110m/min)
可增加加工工件数可增大切深和进给量(原刀具ap=1.7mm,f=0.23mm/r)
  1. 加工实例1(外圈):过去只能采用110m/min的速度加工;而CA6525涂层刀具可以200m/min的速度进行高效加工,并增加了加工工件数量。
  2. 加工实例2(六角螺钉):在断续加工时,原有刀具加工到约400件时工件产生毛刺,需更换刀具;而CA6525刀具能稳定地加工到500件以上。
  3. 加工实例3(六角形轴):原有刀具的极限切削条件为:切深1.7mm,进给量0.23mm/r;而PR1125刀具可达到:切深2mm,进给量0.27mm/r。实现了高效加工,并增加了加工工件数量(65个/刀尖)。
本文作者:廖先富(译)
原载:《工具展望》2009年第2期
上载于:2010-12-20 10:04:19

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