目前,金屬切削技術已經提高很多,但對于難加工材料的切削效率還很低,如何提高切削效率,降低加工成本,是現(xiàn)在制造業(yè)面對的主要問題。
難加工材料有哪些
隨著航空航天、石油、化工、兵器及原子能等工業(yè)的蓬勃發(fā)展, 各種難加工材料也得到廣泛的應用,其中以不銹鋼、鈦合金、淬硬鋼等材料最具代表性。
材料加工硬化性大,在切削過程中,被加工材料會產生塑性變形;不銹鋼的導熱率低,切削加工時切屑帶走熱量少,切削點的溫度上升,導致刀具壽命變短;同時,不銹鋼親和性大,易使刀尖產生積屑瘤和后刀面產生附著物,從而使被加工表面精度下降。
鈦合金的切削加工性表現(xiàn)為:密度小、導熱性差、切削加工時切削熱不易擴散,導致刀具壽命很短。鈦合金的親和力大;具有高的化學活性,易與相接觸的金屬親和,導致粘結、擴散加劇、刀具磨損;鈦合金彈性模量低、彈性變形大,會使已加工表面與后刀面的接觸面積大,磨損嚴重。
主要特點是硬度、強度高, 塑性、導熱性差。在切削過程中,切屑與前刀面接觸長度短, 因此切削力和切削溫度集中在切削刃附近,易使刀具磨損和崩刃。
如何應對難加工材料
難加工材料之所以難以加工就是因為其相對切削性太差,如:高硬度和高強度、高塑性和高韌性、低導熱性、低塑性、高脆性、化學性能過于活潑等特點造成切削過程中切削力大、切削溫度高、切屑難于控制、加工硬化嚴重和刀具耐用度低等問題。
策略一 采用新型材料
立方氮化硼刀具的硬度雖然略低于金剛石,但卻遠遠高于其他高硬度材料,而且熱穩(wěn)定比金剛石高得多,可達到 1200℃以上,適合高溫干切削。其另一個優(yōu)點是化學惰性大。
高速鋼刀具的性能已不夠先進,在高速鋼的基體上,用物理氣相沉積(PVD)法涂覆耐磨材料薄層(一般為TiN),可顯著提高刀具壽命和加工表面質量,降低切削力。
硬質合金刀具是碳化物(WC、TiC等)的粉末冶金制品。按晶粒的大小可分為普通硬質合金、細晶粒硬質合金和超細晶粒硬質合金;按化學成分可分為鎢鈷類(YG)、鎢鈷鈦類(YT)和添加稀有碳化物類(YW)。鎢鈷鈦(YT)類刀具和鈦合金有強烈的親和力。
金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性、刃口鋒利、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高導熱系數(shù)以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點。金剛石類刀具適用于難加工材料的精加工和超精加工。金剛石的耐熱溫度只有700~800℃,加工時必須進行充分的冷卻和潤滑。
陶瓷刀具材料是通過在氧化鋁和氮化硅基體中分別加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的。陶瓷刀具的高溫性能優(yōu)于硬質合金,故適用于高速切削。Si3N4基陶瓷刀具的斷裂韌性和抗熱震性高于Al2O3基陶瓷刀具,適合于鑄鐵的高速切削。
策略二 采用非常規(guī)切削
(1)加熱切削法
加熱切削法一種是導電加熱切削,即在工件和刀具的回路中(工件必須是導電體)施加低電壓(約5 V)、大電流(約500 A),使切削區(qū)產生熱量。另一種是等離子體加熱切削,即用等離子弧對靠近刀尖的工件材料進行加熱,使其硬度、強度降低,從而改善了切削條件。
近年,國內發(fā)明了“電熔爆”切削法。帶電的刀盤與被加工表面產生劇烈放電,將被加工表層快速熔化、爆離,從而切掉余量。此方法工件內部材料不受熱的影響,效率高,對硬、軟、黏料均適用,既可用于粗加工,又可用于精加工。
(2)低溫切削法
低溫切削法用液氮(-180 ℃)或液體CO2(-76 ℃)為切削液,可降低切削區(qū)溫度,如圖3所示。據試驗,使用該方法主切削力可降低20%,切削溫度可降低300 ℃以上,同時積屑瘤消失,提高了已加工表面質量,刀具耐用度可提高2~3倍,在加工高強度鋼、耐磨鑄鐵、不銹鋼、鈦合金時均有效果。
(3)豪克能加工
豪克能是一種能量的加工方式,利用激活能和沖擊能的復合能量對金屬零件進行加工,一次加工即可使零件表面達到鏡面并實現(xiàn)改性的創(chuàng)新性能量加工技術。利用金屬在常溫下冷塑性的特點,運用豪克能對金屬表面進行復合能量的加工方式,使金屬零件表面達到更理想的表面粗糙度要求;同時屬于不去除材料的加工方式,能夠在保證工件表面完整性的前提下進行加工,預置理想可控的壓應力,延長工件的使用壽命;提高零件表面的顯微硬度,耐磨性及疲勞強度和疲勞壽命;適合不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳基合金、等金屬材料的鏡面加工要求。
(4)超高速切削法
在常規(guī)切削下,提高切削速度將使刀具耐用度降低。有人提出,當切削速度提高到一個臨界值,切削溫度就達到最高值,然后溫度將隨著速度繼續(xù)提高而降低,切削力也隨之下降,可獲得較高的表面質量。這就是超高速切削的理論基礎。美國、德國、日本的學校和工廠在這方面有很多實踐,他們用硬質合金、陶瓷刀具切削鋼、鑄鐵、鈦、鋁合金等材料。這種切削方法常受到設備條件限制而不能推廣,能否在難加工材料切削中發(fā)揮作用,尚有待探討。
(5)采用特種加工方法
工程機械零件的加工,除了上述各種方法以外,相繼研究出一些與切削加工原理完全不同的加工方法,如電火花加工、電解加工、超聲加工、激光加工、電子束加工、離子束加工等被稱為特種加工方法。
在特種加工方法中,工具與工件基本上不接觸,加工時無明顯的機械作用力,可加工脆性材料、精密細微零件、薄壁和弱剛性零件等。該方法利用電能、化學能、聲能、熱能去除被加工材料,瞬時能量密度很高,可加工任何高硬度材料。