采用圆刀片车削镍基合金
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为了车削加工这些材料(包括Inconel合金,Hastelloy镍基合金,Waspaloy合金以及Monel铜镍合金),制造商应该将其注意力牢牢锁定在貌不惊人的切削刀具——圆刀片上。
在极端条件下使用的零件需要用特殊材料制造。这些零件可能是喷气发动机上的一个大环或一个罩子,需要在高达650℃ 的高温下运行:或者是用于油田井下的零部件,需要在地下几百英尺的腐蚀性环境中工作。
因此,航空航天和石油天然气公司都有许多零部件是由镍基合金(耐热超级合金)制成。为了车削加工这些材料(包括Inconel合金,Hastelloy镍基合金,Waspaloy合金以及Monel铜镍合金),制造商应该将其注意力牢牢锁定在貌不惊人的切削刀具——圆刀片上。
圆刀片在一些制造部门也许并未得到充分利用,但在航空航天和石油天然气行业,情况却有所不同。

图1 使用圆刀片的工件夹头和机床必须具有足够的刚性,因为圆刀片的刀尖半径比直线刃刀片更大,这意味着增大了刀一工接触面积,从而增大了切削压力(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 由子圆刀片的几何形状强度最高,因此其进给率可比其它类型刀片提高20%

不能加工小半径转角

尽管具有一些重要优点,但由于某些原因,圆刀片可能还是对制造商缺乏吸引力:一个原因是它不能用于加工小半径转角,例如,直径12.7mm的圆刀片不能车削半径为0.1mm的90°转角,因为它的最小转角半径为1.27mm。
由于圆刀片不能加工小半径转角,导致不少零件制造商及其编程人员采用其它形状的刀片。山特维克可乐满公司的产品开发经理Bill Tisdall介绍说,“由于CNMG菱形刀片兼具加工灵活性和良好的切削刃强度,因此成为许多加工编程人员的首选。这种刀片既可以进行外径车削、表面车削、外表面仿形车削,也可以车削加工方肩。而采用圆刀片,虽然可以进行所有其它加工,但不能进行方肩车削。”(外表面仿形是一种将朝向卡盘的Z轴运动与偏离工件中心线的X轴运动结合起来的加工运动)。
此外,据山高刀具公司车削产品经理Don Graham介绍,圆刀片不太适合加工复杂轮廓(如凹槽),也不能加工出与其几何形状不符的轮廓。
最后,与直刃刀片相比,圆刀片可能更容易损坏工件。与直刃刀片具有较小的刃尖半径不同,圆刀片具有相对较大的刀尖半径。而较大的刀尖半径意味着与加工表面的接触面积更大,从而引起更大的切削力。刀具制造商Greenleaf公司应用工程师Dale Hill说,当工件的夹持刚性较差、刀具悬伸量较大,或加工具有较薄截面的工件特征时,较大的刀尖半径可能会产生不利的影响,包括造成工件变形和振动。因此,如果零件制造商希望成功地使用圆刀片,就必须使机床和工件夹持刚度最大化(图1)。

使用圆刀片的理由

尽管如此,圆刀片仍然具有应用价值:与其它形状的刀片相比,它的强度更高,并且可以采用更高的进给率,从而大大弥补了它在某些加工中的缺点(图2)。
提高进给率所节省的时间意味着可以节省加工费用。Tisdall说,“(通过采用圆刀片)在刀具加工寿命方面可以节省的费用是凉人的。”实际加工成本的降低取决于车间的经常性开支、年产工件数量以及单件加工时间的缩短。
据Graham估计,圆刀片的进给率可比其它类型刀片提高20%,这取决于圆刀片的断屑槽。断屑槽可以根据不同的进给率来设计。他以一种具有零前角和槽型较宽的断屑槽为例,说明这种圆刀片可比具有正前角和较窄槽型的刀片采用更大的进给率。
圆刀片可以采用较大的进给率是因为其几何形状强度最高。肯纳公司全球加工技术高级工程师Frank Battaglia说,“切削刃的刀尖角越大,刀片本身的强度就越高。”他对具有不同刀尖角的各种刀片(夹角为100°、90°、80°和60°的刀片直到夹角为35°的V形刀片)进行了比较,“当刀尖角依次减小时,从刀片的一边到另一边的横截面积也依次缩小。而圆刀片实际上可使从切削刃一边到另一边的横截面积最大化。”他补充说,“对于圆刀片而言,切削刃受力处背后有更多的材料可以吸收切削力。”较高的强度使圆刀片在批量粗车加工锻件和铸件时表现优异,也使圆刀片比其它类型的刀片更不容易崩刃和破损。
此外,圆刀片的高强度和较长的寿命意味着它更适合车削加工在航空航天、石油天然气行业常见的大型工件。山特维克可乐满的Tisdall说,“在各种形状的刀片中,圆刀片提供了最佳的刀具寿命和强度,因此,如果需要车削非常长的工件,采用一个圆刀片就能加工完整个长度。如果采用带角度的刀片,由于刀具寿命通常较短,因此必须在切削中途进行刀片转位”。
Graham说,“在航空航天业,通常需要加工一些大型锻件。”例如,为了用直径1220mm(壁厚和宽度均为150mm)的环形毛坯车削加工出一个直径1016mm(壁厚12.7mm ,宽度50.8mm)的环,需要切除大量的材料,“此时,圆刀片非常有用,因为你可以采用很大的切削用量快速去除大量工件材料。”
表 切削镍基耐热合金的推荐切削速度和进给率
加工阶段第一种牌号选择第二种牌号选择切削速度
min/m
进给率
mm/r
切削深度
mm
刃片类型金属去除率
cm3/min
评价
粗加工CC670CC6065150~2000.15~0.20~5RNC6200采用45°切入以减小切屑厚度和工件内凹,高质量加工锻件时第一选择
半精加工CC6060CC6065200~3000.10~0.201~3RNC4120如有可能,应采用圆刀片,以减小工件内凹
200~250RPGX80对于凹槽加工,采用正前角刀片
S05FGC110540~600.20~0.50RCMT SM50如有可能,始终采用一个主偏角,以减小工件内凹(如采用RCMT 圆刀片)
精加工0.25~0.30-仿形车削
(数据由山特维克可乐满公司提供,原文为英制计量单位,由切削技术网站转化为公制计量单位)

选用正前角还是负前角?

在加工镍基合金时,零件制造商必须考虑是采用带负前角、零前角还是正前角的圆刀片。根据Graham的看法,石油和天然气行业的零件制造商通常更愿意采用带负前角或零前角的圆刀片,因为这种角度可以提供更高的强度。这些企业也喜欢采用结实耐用的重载断屑槽。
Greenleaf公司的Hill补充说,负前角特别适合断续车削。“当圆刀片切入工件时,大部分切屑会冲击刀片的顶面,而该处正是圆刀片强度最高的区域。因此,在断续车削时,是用刀具强度最高的区域来应对最恶劣的加工状况。”
然而,负前角往往会产生较大的切削力,而这可能对一些特定的加工不利。为此,Hill推荐了正确的刀具几何形状,“在可能的情况下最好采用负前角刀片,因为它具有更高的强度和更好的经济性——负前角刀片通常都是双面刀片,具有更多切削刃可供使用。而在比较关注表面光洁度、刀具受力或积屑瘤的情况下,则应采用正前角刀片。”
刀具制造商ATI Stellram公司全球产品经理(车刀、螺纹刀具、切槽刀具)Martin Gardner也同意Hill的看法。他推荐在这种加工中可以使用7°正前角的RCMT圆刀片,“这也许是在此类加工中最常用的刀片。它们被用于轮廓仿形加工和窄槽加工。”他还指出,圆刀片切削刃的钝化量不必过大,否则会产生较大切削力。

涂层与不涂层

除了考虑圆刀片的几何角度以外,航空航天和石油天然气行业的零件制造商还必须考虑是否采用涂层刀具。
首先需要考虑硬质合金刀具材料的组织结构。Gardner推荐采用亚微米晶粒的硬质合金基体用于无振动的连续切削。山高刀具公司的Graham对此表示赞同,“微米晶粒的硬质合金可以提高耐磨性和抗变形能力,在加工镍基合金时,后者显得尤其重要。切削镍基合金时,会产生大量切削热和切削压力。钢在红热状态下会软化,而镍基超级合金在红热状态下仍能保持其强度和硬度。因此,即使在红热状态下,镍基合金仍然会对刀片施加很大压力。”
Graham推荐,在加工硬度大于32HRC的高温合金时,刀具应采用PVD涂层(而不是CVD涂层),因为PVD涂层通常较薄,能更好地保持刀具切削刃的锋利度。他补充道,为了防止加工镍基合金时常见的其它失效形式,如磨损、积屑瘤和月牙洼等,PVD涂层也是首选,因为其耐磨性更好。不过,在加工较软的超级合金(如Inconel 600)时,则应选用CVD涂层,因为此时刀片的主要失效形式是月牙洼磨损,而较厚的CVD涂层能更有效地防止月牙洼磨损。

图3 车削镍基合金的圆刀片可采用CVD或PVD涂层,取决于刀具相对于特定合金的性能特点(如刀具的主要失效模式)

图4 为了减少车削镍基合金时可能遇到的各种问题,圆刀片可制备出不同的特征,如倒棱(上左、下右)和正前角(下左)

图5 零件制造商可借助PCBN圆刀片的优势以高达300m/min(1000sfm)的切削速度车削高镍合金
山特维克可乐满的Tisdall则推荐在大多彭叻口工中通常应采用CVD涂层圆刀片。“由于CVD涂层通常比较厚,因此可以提供更长的刀具寿命和更高的切削速度。”至于CVD涂层比PVD涂层更容易产生刻划磨损是CVD工艺本身的问题。Tisdall认为,CVD工艺会在刀片的硬质合金基体中产生η相,从而消耗掉基体中用于抵抗刻划磨损的钻结合剂,同样,钴结合剂的消耗也会削弱硬质合金基体。
虽然如此,Tisdall还是宁愿在加工超级合金时采用CVD涂层圆刀片,“圆刀片几何形状的强度和减薄切屑效应弥补了切削刃的内在弱点。而采用带顶角的刀片——CNMG、DNMG或VNMG刀片与大主偏角刀具相结合加工超级合金时,采用PVD牌号则更合适。”
Tisdall说,“另一个关键问题是,涂层可能会长时间粘附在切削刃线上。你最不想看到的是,当加工完一个大型航空零件后,却发现由于刀片涂层已在切削过程中破损,而使零件加工尺寸不正确。你或者不得不设法返工补救,或者只好将这个工件报废,而这样会造成很大的经济损失。”
一些航空零件生产企业仍然宁愿使用未涂层刀片,因为他们担心在加工过程中涂层会污染工件。ATI Stellram公司的Gardner说,“显然,他们不愿意使零件受到腐蚀或发生变形,哪怕很短时间也不行。关于涂层扩散到母体材料中的问题已进行了许多研究,但我们从未发现PVD涂层扩散到材料中。尽管如此,一些航空发动机零件制造商还是喜欢采用未涂层刀片。”
肯纳公司的Battaglia认为,零件制造商可能会发现,尽管硬质合金涂层圆刀片性能不错,但还不足以满足他们的加工需要。与陶瓷刀具相比,涂层圆刀片的弱点在于其速度性能明显受限。他解释说,虽然有时候需要采用硬质合金刀片加工(如因机床存在局限性或工件夹具需要以较低速度运转,或者对关键航空零件进行最终精加工时),但通常明确规定,硬质合金刀片应在低速下加工,以避免损坏工件或在工件表面形成“白层”。

陶瓷圆刀片

Greenleaf公司的Hill认为,硬质合金刀片(甚至是涂层的亚微米晶粒硬质合金刀片)目前还很难与陶瓷刀片并驾齐驱,“比如说,在加工典型的Inconel 718合金时,即使采用我们的最佳硬质合金刀具加工方案,切削速度也只能达到90m/min(300sfm),而且这还是轻载精加工而不是粗加工的速度。而陶瓷刀具却能采用250~275m/min(800~900sfm)的切削速度。”
陶瓷刀片可以如此高的速度进行加工,是因为其熔融温度远远高于它所切削的任何金属的熔点。例如,一种晶须增强的陶瓷圆刀片(由氧化铝基体和碳化硅晶体构成)的熔点可高达2000℃以上。由于具有如此高的熔点,因此陶瓷刀片可在极高的温度下抵抗变形和软化。
尽管如此,Battaglia警告说,如果采用的切削速度过高,陶瓷圆刀片仍然会磨损。此外,他建议对陶瓷圆刀片的切削刃进行钝化处理(也称为T形刃带倒钝或刀尖半径钝化)。典型的T 形刃带位于前刀面上,宽度为0.05~0.1mm,角度为20°~25°。“如果采用锋利的切削刃,刃口裂纹很容易扩展。如果对切削刃进行了制备,就能将更多切削力引入刀具材料主体,从而抑制裂纹扩展,避免切削刃崩刃。”
Graham介绍说,在现有刀具材料中,CBN刀片能够采用比陶瓷刀片更高的切削速度(300m/min,约1000sfm)进行加工。

谨慎选择切削用量

Galdner认为,鉴于圆刀片的强度,需要小心地将其应用于工件(甚至是高镍合金工件)的加工就不足为怪了。例如,圆刀片的最大切削深度不应超过刀具直径尺寸的25%。如果超过了25%,刀具与工件接触面积过大,将产生过大的切削压力和切削热,其结果不是损坏刀片,就是损坏工件。
对于凹槽车削,为了减小损坏圆刀片或工件的可能性,Tisdall推荐采用不同于插车和外圆车削的摆线车削方式。在插车和外圆车削加工中,刀片在切入工件时要承受很大压力,并横向移动切削工件材料,直至到达槽壁位置。刀片承受的压力可能会导致崩刃,并造成刀具完全失效。而摆线车削的切削深度较小,Tisdall说,“刀片切入工件很浅,只需采用较小的切深,在向槽壁位置切削时,刀片与工件的接触长度也不大。”
Tiodall还描述了一种插车和外圆车削的“滚入法”。作为一种数控编程加工技术,该方法在刀片退出插切时引入了一个半径。“这是保持刀片与工件接触而不会向一个不同的方向突然运动的另一种方式。比如说,刀片从Z轴方向插切进入,然后转向X轴方向,并沿着X轴移动切削,这将使刀片承受很大的切削压力。为了减小作用于刀片上的压力,我们在此采用了一个转弯半径。”
此外,机床操作者也可以改变圆刀片的主偏角以减小切屑厚度。Gardner说,“我们总是希望减薄切屑。当通过改变切人角减薄切屑时,我们就能提高生产率,减少产生的切削热。切削产生的热量越多,摩擦越厉害,工件材料反射回刀具的热量也越多,将导致刀片烧伤。当然,避免刀片过热烧伤并不意味着过于保守地使用圆刀片。
圆刀片不能切削小半径转角,也不适合加工复杂轮廓,但它具有比其他任何形状刀片更高的强度,可用于大进给切削。通过采用适当的前角和合理的切削策略,圆刀片在完成车削高镍合金材料(用于加工在极端环境下工作的飞机喷气发动机零件和油田井下零件)的困难任务中将会有卓越的表现。

英文原文

  • Straight to a round
  • 本文作者:胡红兵(编译)
    原载:《工具展望》2009年第5期
    上载于:2011-8-15 18:15:21

    声明: 切削技术网站刊载此文不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息。

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