干式切削刀具及其在加工軋輥中的應(yīng)用

　　淬硬軋輥的最終加工過去常由磨削加工來完成，而磨削加工不僅效率低，而且所使用的切削液會(huì)給環(huán)境帶來污染，并影響操作者的身體健康，因此，采用干式切削刀具對(duì)淬硬軋輥的硬態(tài)干式切削加工已成為目前研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。淬硬軋輥的干式切削加工實(shí)現(xiàn)了以車代磨，加工效率提高了5～10倍，并可避免環(huán)境污染，是一種高效、潔凈的工藝方法，符合綠色制造、清潔生產(chǎn)模式，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　干式切削淬硬軋輥刀具

　　刀具材料及其選用

　　1.陶瓷材料

　　陶瓷刀具具有高硬度(HRA91～95)、高強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750～1 000 MPa)、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、良好的抗粘結(jié)性能、摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度，1,200℃時(shí)硬度達(dá)到HRA80。正常使用時(shí)，陶瓷刀具耐用度極高，車速可比硬質(zhì)合金提高2～5倍，特別適合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，加工硬度可達(dá)HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵等。常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。氧化鋁基陶瓷刀具比硬質(zhì)合金有更高的紅硬性，高速切削狀態(tài)下切削刃一般不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，但它的強(qiáng)度和韌性很低，為改善其韌性，提高耐沖擊性能，通常一方面可加入氧化鋯或TiC和TiN的混合物，另一種方法是加入碳化硅晶須。氮化硅基陶瓷除紅硬性高以外，還具有良好的韌性，與氧化鋁基陶瓷相比，它的缺點(diǎn)是在加工鋼時(shí)易產(chǎn)生高溫?cái)U(kuò)散，加劇刀具磨損，氮化硅基陶瓷主要應(yīng)用于斷續(xù)車削灰鑄鐵及銑削灰鑄鐵。

　　金屬陶瓷是一種以碳化物為基體材料，其中TiC為主要的硬質(zhì)相(0.5～2µm)，它們通過Co或Ti粘結(jié)劑結(jié)合起來，是一種與硬質(zhì)合金相似的刀具，但它具有較低的親和性、良好的摩擦性及較好的耐磨性。它比常規(guī)硬質(zhì)合金能承受更高的切削溫度，但缺乏硬質(zhì)合金的耐沖擊性、重型加工時(shí)的韌性以及低速大進(jìn)給時(shí)的強(qiáng)度。近年來通過大量的研究、改進(jìn)和采用新的制作工藝，陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度和韌性均有了很大的提高，如日本三菱金屬公司開發(fā)的新型金屬陶瓷NX2525及瑞典山德維克公司開發(fā)的金屬陶瓷刀片新品CT系列和涂層金屬陶瓷刀片系列，其晶粒組織的直徑細(xì)小至1µm以下，抗彎強(qiáng)度和耐磨性均遠(yuǎn)高于普通的金屬陶瓷，大大拓寬了陶瓷材料的應(yīng)用范圍。

　　2.CBN

　　CBN的硬度和耐磨性僅次于金剛石，有極好的高溫硬度，與陶瓷刀具相比，其耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性稍差，但沖擊強(qiáng)度和抗破碎性能較好。它廣泛適用于淬硬鋼(HRC50以上)、珠光體灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和高溫合金等的切削加工，與硬質(zhì)合金刀具相比，其切削速度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　CBN含量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強(qiáng)度高及耐沖擊韌性好，其缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差和化學(xué)惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工。復(fù)合PCBN刀具中CBN顆粒含量較低，采用陶瓷作粘結(jié)劑，其硬度較低，但彌補(bǔ)了前一種材料熱穩(wěn)定性差、化學(xué)惰性低的特點(diǎn)，適用淬硬鋼的切削加工。

　　使用PCBN刀具干式切削淬硬軋輥還應(yīng)遵循以下原則：在機(jī)床剛性允許條件下盡可能選擇大切深，這樣切削區(qū)生成的熱量使得刃前區(qū)金屬局部軟化，能有效降低PCBN刀具的磨損，此外在小切深時(shí)還應(yīng)考慮采用PCBN刀具導(dǎo)熱性差而使得切削區(qū)熱量來不及擴(kuò)散，剪切區(qū)也能產(chǎn)生明顯的金屬軟化效應(yīng)，減小切削刃的磨損。

　　3.刀片結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)確定

　　刀片形狀及幾何參數(shù)的合理確定對(duì)充分發(fā)揮刀具切削性能是至關(guān)重要的。按刀具強(qiáng)度來說，各種刀片形狀的刀尖強(qiáng)度從高到低依次為：圓形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料選定后，應(yīng)選用強(qiáng)度盡可能高的刀片形狀。

　　硬態(tài)車削刀片也應(yīng)選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑，用圓形及大半徑刀片粗加工，精加工時(shí)的刀尖半徑約為0.8µm。

　　淬硬鋼切屑為紅而酥軟的鍛帶狀，脆性大，易折斷，不粘結(jié)，一般在切削表面不產(chǎn)生積屑瘤，加工的表面質(zhì)量高，但淬硬鋼切削力比較大，特別是徑向切削力比主切削力還要大，所以刀具宜采用負(fù)前角(g0≥-5°)和較大的后角(a0=10～15°)，主偏角取決于機(jī)床剛性，一般取45～60°，以減少工件和刀具顫振。

　　干式切削淬硬軋輥切削參數(shù)及其對(duì)工藝系統(tǒng)的要求

　　1.切削參數(shù)的選擇

　　淬硬軋輥材料硬度越高，其切削速度應(yīng)越小。使用干式切削刀具進(jìn)行硬態(tài)車削精加工的適宜切削速度范圍為80～200m/min，常用范圍為100～150m/min。采用大切深，或強(qiáng)烈斷續(xù)切削時(shí)，切削速度應(yīng)保持在80～100m/min。一般情況下，背吃刀量為0.1～0.3mm之間。加工表面粗糙度要求高時(shí)可選小的切削深度，但不能太小，要適宜。進(jìn)給量通�？梢赃x擇0.05～0.25mm/r之間，具體數(shù)值視表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。當(dāng)表面粗糙度為Ra0.6～0.8µm，采用干式切削刀具進(jìn)行硬態(tài)車削比磨削經(jīng)濟(jì)得多。

　　2.對(duì)工藝系統(tǒng)的要求

　　除選擇合理的刀具外，采用干式切削刀具進(jìn)行硬車削軋輥對(duì)車床或車削中心并無特殊要求，若車床或車削中心剛度足夠，且加工軟的工件時(shí)能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于硬態(tài)切削。由于加工淬硬軋輥時(shí)，徑向力很大，這就要求機(jī)床功率要大，機(jī)床系統(tǒng)剛性要好，這既可保護(hù)干式切削刀具，又可獲得滿意的加工效果。為了保證車削操作的平穩(wěn)和連續(xù)，常用的方法是采用剛性?shī)A緊裝置和中等前角刀具。若軋輥在切削力作用下其定位、支承和旋轉(zhuǎn)可以保持相當(dāng)平穩(wěn)，現(xiàn)有的設(shè)備就可采用干式切削刀具進(jìn)行硬車削。

　　干式切削淬硬軋輥中應(yīng)注意的問題

　　干式切削淬硬軋輥不用切削液，因?yàn)樵谇邢鬟^程中大量的熱量將由切屑帶走，很少會(huì)在工件表面產(chǎn)生熱損傷及熱變形。相反，若使用冷卻液會(huì)給刀具壽命和表面質(zhì)量帶來不利影響。

　　精車刀片最好選用強(qiáng)度高的方形、圓形刀片，雖然切削力加大，但粗糙度值更小，表面質(zhì)量更佳。磨鈍以后，轉(zhuǎn)位換刃即可。也可以選用菱形刀片，刀尖半徑在0.5～1mm之間。

　　干式切削刀具作低速切削時(shí)(如v<50m/min)，不但與硬質(zhì)合金的切削性能相近，而且容易引起工藝系統(tǒng)的振動(dòng)，使刀具發(fā)生崩刃，甚至無法切削。在一定速度范圍內(nèi)高速切削時(shí)，切削溫度的升高，還會(huì)改變工件材料的性能，提高干式切削刀具的韌性，從而減少其破損。但是斷續(xù)切削時(shí)，如果切削速度提高太大，溫差會(huì)很大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也可導(dǎo)致刀具破損。

　　進(jìn)給量對(duì)刀具破損的影響比切削速度大，選取較小的進(jìn)給量，有利于防止或減少刀具的破損。因此，對(duì)干式切削刀具應(yīng)選用較小的進(jìn)給量和盡可能高的切削速度。

　　裝夾干式切削刀具時(shí)，刀具的懸伸長(zhǎng)度要盡量短，以防止刀桿顫振和變形，使干式切削刀具保持良好的加工狀態(tài)。

　　對(duì)于硬度高和不規(guī)則的工件，由于干式切削刀具較脆、怕沖擊。刀具從工件端面切入、切出時(shí)，尤其表面有凹凸不平，最易發(fā)生沖擊，刃口破裂，使耐用度降低。所以在使用干式切削刀具前，最好在工件切入切出端先倒角，以減小刀具沖擊力。毛坯切入處的倒角，可避免刀具剛接觸工件時(shí)，承受過大的沖擊載荷。毛坯切出處的倒角，主要是為避免刀具切離零件時(shí)被留下的一圈料邊打壞。

　　為很好地使用干式切削刀具，穩(wěn)定地控制工件質(zhì)量，準(zhǔn)確判斷干式切削刀具的耐用度至關(guān)重要。如果一直使用磨損已很嚴(yán)重的刀具，那么切削力及切削溫度增加、切削不暢，就難以控制工件尺寸及表面完整性，甚至使干式切削刀具無法繼續(xù)修磨而報(bào)廢。為保證刀具的正常使用，建議干式切削刀具后刀面磨損量達(dá)0.3～0.6mm(精車時(shí)取小值)時(shí)應(yīng)進(jìn)行重磨。但重磨需要一定的設(shè)備和技巧，多數(shù)工廠的機(jī)床不具備合適的條件，一般干式切削刀具的重磨都應(yīng)由專業(yè)廠來完成。