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加工镍基合金铣刀的特点

时间: 2011-07-09 10:00 来源: 作者: 张铁铭 译点击:
当遇到Hastelloy、waspaloy、Inconel和Kovar等难加工材料时,加工知识与经验就显得非常重要。目前,镍基合金的应用越来越多,主要用于制造航天、医疗、化工行业的一些重要零件。这些材料具有很高的强度、耐腐蚀性,并能经受极高的温度。在上述材料中加入了一些特殊元素,可获得优越的性能。但另一方面,也使这些材料变地特别难于铣削加工。

我们知道,在镍系合金中镍和铬是两个主要添加成分,增加镍能增加材料韧性,加入铬可提高材料的硬度,再加上其它成分的平衡,据此就可以预测的磨损情况。

添加到材料中的其它元素可能有:硅、锰、钼、钽、钨等,值得注意的是,钽和钨也是用来制造硬质合金的主要成分,它们能有效地提高硬质合金的性能,但是这些元素加入到工件材料中,就使它变地难以铣削加工,差不多像用一把硬质合金刀具切削另一把硬质合金刀具一样。

刀具的破损

为什么切削其它材料的,在铣削镍基合金时破损较快?搞清楚这一点是很重要的。加工镍基合金,其刀具费用较高,其费用为铣削一般钢材的5~10倍。

毋庸质疑,在铣削镍基合金时,热量是影响刀具寿命的最重要的因素,因为即使最好的硬质合金刀具,也会被过高的切削热所毁坏。产生极高的切削热,不仅仅是铣削镍合金才遇到的问题。所以铣削这些合金时,需要对热量加以控制。另外,了解应用各种形式的刀具(高速钢刀具、硬质合金刀具或陶瓷刀具)加工时所产生的热量值,也是非常重要的。

许多刀具的损坏还与其它因素有关,不合格的和刀柄都可能缩短刀具寿命。当夹紧的工件刚性不足,切削时产生移动时,可能会引起硬质合金基体的断裂。有时会沿切削刃产生小的裂缝,有时还会从硬质合金刀片上崩掉一块,无法继续进行切削。当然,这种崩刃也可能是因为硬质合金太硬或切削负荷太大所致。这时应考虑采用高速钢刀具进行加工,以减少崩刃的发生。当然,高速钢刀具又不能像硬质合金那样承受较高的热量。究竟采用什么材料,必须根据具体情况权衡确定。

在加工开始前,设法加强夹具的刚性,对以后长时间的生产都会带来益处。不仅延长了刀具的寿命,而且还提高了工件表面质量,减少了加工误差。

同样,刀柄选择不当,也会缩短刀具寿命。如把直径为3.175mm的立铣刀装在铣刀刀柄里(而不是弹簧卡头里),由于紧固螺钉的作用,使刀具和刀柄之间的配合间隙偏到一边,刀具中心偏离刀柄回转中心,使铣刀工作时的径向跳动增加,致使铣刀每个刀齿的切削负荷不均衡。这种切削状态对刀具很不利,特别是在铣削镍基合金时更加突出。

通过使用改善了刀具装卡偏心度的刀柄,如液压卡头、热装卡头,能使切削作用更均衡、更平稳,减少了刀具磨损,提高了表面质量。选择刀柄时应遵循一个原则,就是刀柄要尽可能的短。这些对刀具和工件的夹持要求,对铣削任何材料都适用,而当铣削镍基合金时,还需要尽可能采用先进的加工经验。

刀具的使用

不管刀具设计得如何,或用什么材料制成,刀具的制造商都应该提供切削速度和每齿进给量的初始值。如果没有这些数据,就应该向制造厂家的技术部门咨询。厂商应该熟知他们的产品在进行全宽度开槽铣削、外廓铣削、插铣或斜坡铣削时的能力如何,因为许多标准铣刀大多数不能完成这样多的加工工序。比如,如果铣刀没有足够大的第二后角,则斜坡铣削的斜角就要减小。

很明显,如果超出刀具的加工能力,将导致刀具的损坏。插铣也是一样,如果不能将切屑及时地从槽底排出,切屑将会受到挤压,之后刀具也将损坏。总之,铣削加工高温合金时,这些情况对刀具寿命都是不利的。

如果认为减慢进给速度可延长刀具寿命,那么事实证明,这种观点是错误的。典型的例子就是在切第一刀时,会发现材料相当硬。如果把进给量减小(如可转位铣刀的每齿进给量减至0.025~0.5mm),刀具切削刃将强烈地摩擦工件,结果是刀具很快或是立即损坏。摩擦能引起工件表面的加工硬化,为避免加工硬化,切第一刀时应保持一定的切削负荷(0.15~0.2mm/每齿进给量)。

切削深度取决于多种因素,如刀具设计,刀片高度、卡具刚性、刀具总长、马力等。但当刀具的后角和前角为5°~11°正值时,最适于加工粘度大的材料。立铣刀的螺旋角应该在35°~50°之间。这些铣刀的倾斜刀刃有锯削作用,能形成理想的切屑并带走切削热。

当然,铣削镍基合金时,选择适当的切削速度也非常重要。它决定了在切削区产生热量的多少。推荐的速度范围从较低的12~15m/min(对高速钢铣刀)到23~37m/min(对硬质合金铣刀),再到180~245m/min或更高(对陶瓷铣刀)。增加进给量和切削深度也会增加切削热,因相应地增加了切削力和刀具与工件的接触面积。

根据铣削镍基合金时的应力和切削力,应选择由亚细颗粒硬质合金作为铣刀刀片的基体,并采用带有耐热性能的氮铝钛涂层。使用这类硬质合金牌号的刀片进行铣削加工,可取得很好的加工效果。在较低的切削速度下,采用碳氮化钛涂层进行加工,其效果也不错。

如果在加工中,刀具使用不当,即使用最好的基体和涂层,也不会取得好的加工效果。比如,在零件上要铣出一个深度为3.8mm的槽,想分三次走刀加工出来。一般在这个加工过程中CAM系统将显示为三次切深都一样。由于工件重复地接触刀具上同一部位,最终相同的切深将使涂层上产生一个缺口,一旦这个缺口划穿了涂层,就会损伤基体,致使刀具损坏。因此在铣削加工中,选取适当的切削深度(一般在0.5~0.75mm),在铣削时,防止工件重复接触刀片同一部位,这样才能延长刀具的寿命。

切削热的影响

在铣削镍基合金时,会产生大量的切削热。所以在加工时,应用充分的冷却液将切削区淹没,这对小直径铣刀容易实现,但对大直径刀具(如面铣刀),切削时就不可能全部淹没,只能关掉冷却液,采用干铣方式。

当铣刀不能被冷却液覆盖时,热量在刀片上快速传入、传出,导致产生许多垂直于切削刃的很小裂纹,裂纹逐渐扩展,最终就会引起硬质合金碎裂。

有些场合可使用比较小的铣刀,加工时不用冷却液,如果刀具切削正常且刀具寿命有所改善的话,说明也能进行有效的干铣。

因为医疗和航天工业中的零件常用镍基合金制造,使这种材料通常都附有认证文件,在这些文件中给出了这种特殊材料的化学结构,使我们在加工时可以知道铣的是什么材料。而应注意的是如何根据这类材料的成分选用适当的切削参数和切削方法。

正如前面所提到的,这一组金属的两个主要元素是镍和铬。当金属冶炼厂调整每种金属的百分比含量时,其耐蚀性、强度、硬度等特性都会改变,同样它的可加工性也会随之变化。

设计切削坚韧或硬质工件的刀具并不难,但要设计出二者兼备的镍基合金刀具却是不容易。对于这些合金你可能有自己的叫法,但只要你了解它的成分并使用适当的刀具,你就可顺利地铣削像Corp20、Rene41和Haynes242这样的材料。(end)

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