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        機械加工中刀具材料的選擇

        2018-01-01 00:00:00鄧可欣
        大科技·D版 2018年4期

        摘 要:每種刀具對應有其特有的加工范圍。切削刀具的加工對象選擇主要有三方面內(nèi)容,分別是力學、物理學和化學性能匹配,根據(jù)工件的材料進行刀具材料的選擇十分必要,這能提高刀具的壽命也能增大刀具的生產(chǎn)率,進而達到降低加工成本的目的。

        關(guān)鍵詞:機械加工;刀具;材料

        中圖分類號:TG711 文獻標識碼:A 文章編號:1004-7344(2018)12-0228-01

        機械加工領(lǐng)域隨著材料科學的進步出現(xiàn)了極大的變革,在加工鋼鐵材料時,需要針對被加工件合理選擇刀具種類,從而有效減少刀具磨損,保障產(chǎn)品質(zhì)量,提高加工生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,減少資源的消耗量。

        1 力學性能匹配

        機械加工中力學性能匹配包括:強度匹配、韌性匹配、硬度匹配等等,這些力學參數(shù)之間應當形成良好配合。刀具自身的力學性能不同,其所使用的加工材料也有很大的不同。例如高速鋼、硬質(zhì)合金與金鋼石刀具,在加工過程中要根據(jù)被加工件的實際材料硬度進行選擇。通常,刀具的硬度必須要高于60HRC,并高于被加工件的實際硬度。高硬度材料在進行加工時,必須要采用高硬度的刀具。刀具材料參數(shù)參照表1[1]。

        為了有效提高生產(chǎn)效率,在加工過程中通常采用高速切削的加工方式。高速切削過程中所產(chǎn)生的切削溫度要遠高于常規(guī)切削,但是伴隨著切削溫度的提高,刀具強度和硬度都會隨之下降。因此,在進行高速切削時,所使用的刀具材料自身必須要具有良好的常規(guī)力學性能,同時在高溫環(huán)境工作時,也要滿足力學性能要求,且高溫力學性能的重要性要強于室溫力學性能。

        2 物理性能的匹配

        物理性能匹配主要是指:材料熔點匹配、彈性模量匹配、導熱系數(shù)匹配、熱膨脹匹配等等,只有這些數(shù)值與其物理性能匹配才能達到更好的切削效果。根據(jù)刀具的物理性能不同,對應的材料加工范圍也不同,譬如高速鋼刀具導熱性好、熔點低,陶瓷刀具具有高熔點與低熱漲、金剛石刀具有高導熱與低熱漲的特性,在對導熱性工具進行加工的時候,就要選擇導熱性能較好的刀具,進而能快速散發(fā)切削熱,降低材料的切削溫度,保障材料的性能。

        金剛石導熱系數(shù)相較于硬質(zhì)合金而言要高1.5~9倍,高于銅2~6倍,在導熱系數(shù)和熱擴散率較高的情況下,切割熱的散發(fā)速度較快,所以刀具切削部分的溫度相對偏低。但是根據(jù)金剛石熱膨脹系數(shù)的變化可以了解:其熱膨脹系數(shù)小于硬質(zhì)合金,基本是高速鋼的1/10左右,所以金剛石刀具出現(xiàn)形變的可能性較低[2]。金剛石刀具適用于精密加工,立方氮化硼的導熱性能與金剛石相比較弱,但整體性能與高速鋼或者硬質(zhì)合金比較強。隨著切削速度的提高,CBN刀具自身的導熱系數(shù)呈現(xiàn)出增長趨勢,因此刀尖位置的切削溫度會隨之下降,并使得刀具磨損量減少。CBN材料的耐熱性與金剛石相比要高一倍,非常適用于高溫加工。

        高速切削時,切削速度需要高于平常的切削速度十幾倍。在切削溫度高的情況下,刀具出現(xiàn)失效的原因多是受到刀具材料的熱性能影響。因此在切削加工時要選擇耐熱性能好、導熱性能好、氧化溫度高的刀具。對鋼材和鑄鐵材料進行切削加工時,切削的速度多在鋁合金加工速度的1/3~1/5,究其原因是切削時的熱量會讓刀的尖端出現(xiàn)形變,過熱也會讓刀產(chǎn)生破損。高速切削低導熱性能以及高硬度材料如鈦合金、鎳基合金、高硬合金鋼的時候,切削不當會出現(xiàn)鋸齒形,在進行高速銑削中由于厚度出現(xiàn)變化,會出現(xiàn)斷續(xù)切屑,使刀具內(nèi)的熱應力出現(xiàn)變化,刀具出現(xiàn)磨損。

        3 化學性能的匹配

        刀具磨損主要原因便是機械磨損與化學磨損。其中機械磨損主要包括磨料、黏著、塑性磨損等;刀具材料在高溫下出現(xiàn)分解、溶解或者元素擴散的現(xiàn)象被成為化學磨損。刀具進行切削時出現(xiàn)的磨損與加工材料自身特性有著緊密聯(lián)系。隨著切削條件和工件材質(zhì)的改變,磨損機制也會產(chǎn)生變化。低速切削的時溫度相對較低,造成刀具磨損的形式主要為磨料;而高速切割的時候,受到切割時的溫度等因素影響,能在溫度變化中引發(fā)一些化學反應,這期間氧化磨損與擴散磨損占據(jù)重要位置。隨著切削溫升高,工件硬度逐漸下降,磨料現(xiàn)象開始減少。

        化學性能匹配需要將加工刀具與被加工件的化學性能相匹配,而不同組分的刀具,在不同工件材料中的適宜度是不同的,特別是刀具與工件中的元素具有極強的化學親和性時,就容易產(chǎn)生化學反應,或者產(chǎn)生粘連、擴散,這就要通過回避的方式來解決[3]。例如,在進行鎳基合金的時候,多使用SiC顆?;蛘逽iC晶須的刀具,若使用鋼件刀具磨損就在所難免了,特別是切削的時候磨損更是嚴重。

        而SIC在高溫下易與鐵元素產(chǎn)生反應,反應式如下:4Fe+SiC-FeSi+Fe3C。陶瓷化學惰性遠大于TiC和WC。即使在融化溫度下,Al2O3的剛也很難起到較大的作用。因此,剛切削的過程中,Al2O3陶瓷刀具出現(xiàn)的擴散磨損偏小。另外Al2O3中含有的鋁元素,在形成鋁合金以后會差生較大的親和力,這便使得黏著磨損與擴散磨損現(xiàn)象非常容易產(chǎn)生,所以在使用的時候盡量不要選擇刀具加工鋁、鈦合金等。

        4 結(jié)束語

        每一種不同材質(zhì)的刀具在進行機械加工過程中都有不同的使用方式,刀具的使用的效果和壽命也存在較大的差異,因此在加工時進行刀具的選擇需要根據(jù)被加工件的材質(zhì)進行針對性選擇。在使用的時候若能對應好,將會加大工作效率,減少刀具的模式,也能提高切削加工生產(chǎn)率。

        參考文獻

        [1]陳群英.硬質(zhì)材料刀具在機械加工中的應用[J].科技風,2012(13):79.

        [2]田 育.現(xiàn)代機械制造業(yè)中的刀具失效形式分析[J].價值工程,2011,30(26):54.

        [3]趙小健.硬質(zhì)材料刀具在機械加工中的應用[J].東方教育,2014(7).

        收稿日期:2018-3-24

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