CN103056393B - 一种采用陶瓷刀片的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种采用陶瓷刀片的加工方法，属于机械加工技术领域。当高温合金难加工时，采用陶瓷刀片在卧车上对零件进行加工；对陶瓷刀片的选择，首先应与工件相匹配；如果加工空间允许，则选用大直径圆刀片进行切削；如果是车外圆和端面或大直径零件的内孔，则选择负前角刀片进行切削，如果零件型面有凸台或凹槽，而且凸台或凹槽的圆角半径小于圆刀片半径，则先用圆刀片切削大部分余量，再用尖刀或槽刀片去除圆角处的余量；本发明的方法给出了怎样正确选择切削参数、怎样正确确定走刀路线，使陶瓷刀片应用在数控卧车上。陶瓷刀具应用于高温合金连续切削能够提高加工效率60%以上，应用于高温合金断续切削能够提高加工效率80%以上。

Description

一种采用陶瓷刀片的加工方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种应用于数控卧车的、加工高温合金的机械加工领域，特别涉及一种采用陶瓷刀片的加工方法。

背景技术

高温合金优良的性能把问题和费用显现在刀具上，这些难加工材料的切削，与切削普通钢件相比，需要消耗更多的能量，在切削区产生很高的切削温度，因此需要使用能降低切削温度和耐高温的刀具。要实现高温合金的高效切削，刀具材料的正确选择是第一个重要问题，不同的刀具材料有不同的适用情况。刀具材料只有和合理的几何参数，好的刀具结构，合理的使用方法等因素完美结合才能充分发挥出其应有的性能。

硬质合金刀具的工作温度应在800°C以下，高于这个温度刀尖的强度就会急剧下降，切削效率降低甚至不能完成正常切削。我们在现场经常遇到此类现象，当转速达到一定数值时，刀尖磨损会非常严重，必须降低转速才能保证正常工作。而由于陶瓷材料的熔点高，在1200°C时仍能保持硬度，而在该温度下被切下的废屑早已软塑，非常易于切削。以GH4169为例，通常情况下，硬质合金刀片能够承受的切削线速度为25-35m/min，而陶瓷刀具的切削线速度可达250-450m/min。低于600°C时，硬质合金刀片的韧性及冲击力远远高于陶瓷刀片，凭借其比被加工材料高得多的硬度值，能够完成正常切削。而陶瓷刀片在此温度下会表现得非常糟糕，由于其质脆及耐磨性差等特性，在低温下很容易出现打刀现象，或者根本不能完成切削。因此陶瓷刀具完全不适合于超级合金的切削。

众所周知，数控卧车的刚性远远不如数控立车，陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性好等优点以及脆性较大、强度较低等缺点。所以机床的刚性不好，将直接导致刀片碎裂，不能完成切削。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提出一种采用陶瓷刀片的加工方法，通过给出选择切削参数、确定走刀路线的方法，解决了高温合金加工的瓶颈问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种采用陶瓷刀片的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：当高温合金难加工时，采用陶瓷刀片在卧车上对零件进行加工；

步骤2：对陶瓷刀片进行选择，方法为：首先陶瓷刀具应与工件相匹配；如果加工空间允许，则选用大直径圆刀片进行切削；如果是车外圆和端面或大直径零件的内孔，则选择负前角刀片进行切削，如果零件型面有凸台或凹槽，而且凸台或凹槽的圆角半径小于圆刀片半径，则先用圆刀片切削大部分余量，再用尖刀或槽刀片去除圆角处的余量；

在下次切削前，应检查是否需要更换刀片：粗加工时应充分利用已崩刃的刀片，不要匆忙决定放弃该刀片；

步骤3：确定切削参数及走刀路线，对零件进行切削；

(1)若零件为T型板，则先采用陶瓷刀片去除余量进行半精加工，再采用合金刀片进行精加工；陶瓷单片的切削参数设置为：

线速度的范围为：370 m/min～420m/min；

进给速度的范围为：0.15 mm/rev～0.23mm/rev；

切深的范围为：0.5mm～1.2mm；

(2) 若零件为镍基高温合金，则陶瓷刀片进刀时采用斜向切削工艺或变切深切削，陶瓷刀片的切削参数设置为：

线速度的范围为：370 m/min～420m/min；

进给速度的范围为：0.15 mm/rev～0.23mm/rev；

切深的范围为：0.5 mm～1.7mm；

(3) 含钴元素的铸造高温合金环块,其中钴元素的含量占14%～16%，该零件结构是大直径小弦长的环块，加工时将多块零件组成的一个圆环，并没有头尾吻接，零件之间留有间隙；陶瓷单片的切削参数设置为：

线速度的范围为：790 m/min～820 m/min；

进给速度的范围为：0.15 mm/rev～0.23mm/rev；

切深的范围为：0.5 mm～1.7mm；

步骤4：实时调整工况，保证陶瓷刀片的正常工作。温度低于600°C，则采用提高切削速度的方法，使切削过程产生足够的切削热，保证切削点的温度在600°C以上；

在加工镍基高温合金零件时，陶瓷刀片的沟状磨损现象发生在切深线上，即沟状磨损达到最大的同时后刀面磨损也达到最大，沟状磨损扩展至刀片1/3的厚度上时，沟状磨损或崩刃会出现在切削区域内，此时，需采用提高切速或降低进给或两者同时调整的方法，来纠正陶瓷刀片的磨损；

若陶瓷刀片出现崩刃，并在刀片前面出现火花，此时应降低进给完成本次切削；

步骤5：切削结束后，尽可能地加大冷却液的浇注量，使零件冷却。

步骤2所述的负前角刀片通过转换刀刃的方法至少更换8次刀刃。

若零件为T型板，所述的采用陶瓷刀片去除余量进行半精加工，半精加工给精加工单边留0.5余量。

步骤1所述的陶瓷刀片适合加工的材料包括：硬度在Hc45-65的高硬淬火钢；镍基、钴基高温合金；高硬度Hc45-65铸铁材料；不锈钢、模具钢、焊缝。

本发明的优点：本发明的方法给出了怎样正确选择切削参数、怎样正确确定走刀路线，使陶瓷刀片应用在数控卧车上。陶瓷刀具应用于高温合金连续切削能够提高加工效率60%以上，应用于高温合金断续切削能够提高加工效率80%以上。陶瓷刀具的应用，解决了高温合金加工的瓶颈问题其应用价值无法估量。仅按应用的两个零件计算，单台节约加工成本7395元。按年产100台计算，年节约加工成本739500元。

附图说明

图1为本发明一种实施方式采用陶瓷刀片的加工方法的流程图；

图2为本发明一种实施方式走刀路线示意图，其中，图2(a)为硬质合金刀具的走刀路线示意图；图2(b)为陶瓷刀具的走刀路线示意图；

图3为本发明一种实施方式T型板精车工序零件图；

图4为本发明一种实施方式半精车小端零件图型及走刀路线：

图5为本发明一种实施方式半精车大端零件图型及走刀路线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

本发明的实施方式给出一种采用陶瓷刀片的加工方法，其流程如图1所示。该流程开始于步骤101。在步骤102，当高温合金难加工时，例如当切削温度大于或等于600°C时，采用陶瓷刀片在卧车上对零件进行加工。陶瓷刀片适合加工的材料包括：硬度在Hc45-65的高硬淬火钢；镍基、钴基高温合金；高硬度Hc45-65铸铁材料；不锈钢、模具钢、焊缝。陶瓷刀具不适合加工钛合金，由于钛元素的燃点低，如果采用陶瓷刀具切削钛合金，可能出现废屑自燃现象；另外陶瓷刀具也不适合加工铝镁合金等有色金属，也是因为可能会出现废屑自燃现象。

另外在切削过程中，80%的切削热量被铁屑带走，切速不高时铁屑有充分的溶量把切削热带走，加上足够的冷却液，切削点的温度不会高于600°C。随着切速的提高，靠铁屑带走切削热变得越来越困难，切削区温度就会不断提高，这正是陶瓷刀片的切削所需要的。在使用硬质合金刀片时，一旦工作不正常，我们首先想到的是降低切速，而使用陶瓷刀具时，一旦遇到相同的情况，大部分时间是通过提高切削和降低进给加以解决。

陶瓷刀片寿命的长与短，速度是关键。一定要转变观念，大胆提高切削速度。保证在切削过程中产生足够的切削热，这是提高刀具寿命关键中的关键。当然，提高切速并不是越高越好。切削温度过高，过多的切削热不能被铁屑带走而留在基体内造成零件温度升高，由于热应力导致零件变形。另外，在试验中我们发现，一旦速度超过某一极限值（该值得大小与零件的材料何尺寸有关），刀刃磨损非常快。

在步骤103，对陶瓷刀片进行选择。实际加工过程中，刀具选择是一件非常重要的事情，选择正确，切削顺利，成本降低；否则刀片更换次数增加，非常浪费。首先陶瓷刀具应与工件相匹配。每一种陶瓷刀具都有其特定的加工范围，不同的陶瓷刀具（或同种陶瓷刀具）在加工不同工件材料时其磨损形态和刀具寿命会有很大不同，因此存在陶瓷刀具与切削对象的最佳匹配问题。每一种陶瓷刀具都有其最佳加工对象，即存在陶瓷刀具与加工对象的最佳匹配问题。在应用陶瓷刀片加工零件时一定要搞清楚陶瓷刀片的材质，搞清楚陶瓷刀片的加工最佳匹配问题。我们曾经遇到过这种情况，当我们采用一个厂家生产的两种陶瓷刀片加工GH4169零件时，我们采用相同的参数，但零件的变形却差了很多，甚至影响到精加工时零件超差，为了分析原因，我们应用红外测温仪测量了零件在加工时的温度，用合金刀片时，温度是26度，用绿叶陶瓷刀片时，温度在28度到30度，比合金刀高2-4度左右，用肯纳KY1540在32度到36度，比合金刀高6-10度，应用绿叶刀片加工时较比合金刀片就有一些变形，但是这个变形能够在精车中去掉。肯纳KY1540刀片在加工时零件温度高并且磨损比绿叶和肯纳KY4300严重，并在加工时刀片前面可看到火花，火花是由于温度很高的铁屑通过刀片粗糙平面时产生的，当火花在切削面上出现时，切削刃则已损伤较严重了，此时还进行切削的话，就会导致零件温度上升。因为我们的零件都是薄壁件，薄壁件的变形是一个很重要的问题，由于刀具压力的基体受到的剪切力产生的热量会引起变形，在壁非常薄的部分热量会穿透到截面所有部分引起金相显微组织损伤。所以这个温度升高后导致的变形增大就不难解释了。肯纳的这两种刀片的材质肯定不一样，所以切削参数也不一样，我们采用相同的参数就会导致温度升高乃至零件变形量加大。从这个结果看肯纳KY1540加工的温度高，肯定会引起变形，因为从我们这两年加工的跟踪和经验以及这次的测温来看，应该是由于温度升高导致变形量增加。以下为测温结果：Vc=380m/min，f_n=0.23mm/rev,  a_p=1.7mm。

其次，如果加工空间允许，尽量选用大直径圆刀片，如果仅仅是车外圆和端面或大直径零件的内孔，一定要选用负前角刀片，一片该刀片可通过转换刀刃的方法至少更换8次刀刃，非常经济。如果有些地方有凸台或凹槽，而且圆角半径小于圆刀片半径，可以先用该刀片切削大部分余量，再用尖刀或槽刀片去除圆角处的余量。

在下次切削前，应检查是否需要更换刀片，粗加工时应充分利用已“崩刃”的刀片，不要匆忙决定放弃该刀片。可以继续使用已“崩刃”刀片直到的确不能切削为止。陶瓷刀片不会出现严重断裂而酿成事故，除非执行了严重的误操作。其主要磨损形式是崩刃、后刀面磨损。所谓后刀面磨损是一种渐进的磨损形式，各种刀具都存在这种磨损，其磨损程度与相应的切速是衡量刀具寿命的指标。对于镍基合金零件陶瓷刀片的沟状磨损现象发生在切深线上，理想的应用方法应是沟状磨损达到最大的同时后刀面磨损也达到最大。沟状磨损允许扩展至刀片1/3的厚度上，迅速的沟状磨损或崩刃经常出现在切削区域内，是由于切削区域热量不足造成的。只要提高切速或降低进给或两者同时调整即可纠正。在精加工时“崩刃”会影响光洁度，还会产生“毛边”。“崩刃”时，在刀片前面可看到火花，火花是由于温度很高的铁屑通过刀片粗糙平面时产生的，不要认为刀片已经失效，应降低进给以完成本次切削。

在步骤104，确定切削参数及走刀路线，对零件进行切削。

切削参数的选择仅与零件的硬度和表面状态有关。如切深、切速与进给的关系不匹配，如果切深小于正常值，此选择会降低刀具的切削效率，但刀具寿命会有所提高。如果选择的切深值大，沟状磨损会变的非常严重，而且切深超过最佳值越多，沟状磨越严重。陶瓷材料耐磨性不如硬质合金，如果采用等切深多次切削，势必在刀刃与零件的接触点处出现垂直于刀刃的沟状磨损（nortching），因此，一定要不断改变刀刃与工件的接触点，此方法对延长刀刃的使用寿命非常有效。

对于不同硬度的材料要选用合理的切削参数及走刀路线，使进给和切速优化组合，只有这样才能保证高效切削。

由于陶瓷刀片耐磨性远不如硬质合金刀片，如果以等切深长时间切削，会在刀刃与工件的接触点处产生沟状磨损，该磨损是工件在切削点处长期啃蚀刀刃造成的，是陶瓷刀具失效的主要原因之一，如图2所示。往往在刀片后角磨损还不严重的时候，由于严重的沟状磨损已经导致刀片失效。为提高刀具寿命，必须千方百计地延迟沟状磨损现象的出现。具体方法如下：

斜向切削，即实际走刀路线是斜向进出，目的是随时改变刀刃与工件接触点的位置，其优点是增加了刀具寿命，减少了毛刺清理工作量。

变切深切削，如果在程序设计时不便于采用斜向切削程序，我们可以采用变换切深的方法改变切削点的位置，同样可以起到好的效果。给足切深，减小切削次数，假如材料为GH4169，硬度为Hc40，切削余量为2.5mm，刀片为RNGN 120700，通常情况下我们会分三次刀削，分别为1.0mm、0.8mm和0.7mm，这无形中就多增加一次切削，既费刀片又费时间，理想的切削分配应是1.5mm、1.0mm，两刀完成，陶瓷刀具是在高温下完成切削，可以承受较大切深，我们要利用这一点，充分发挥陶瓷刀具的效能，在尽可能短的时间内去除余量。

适用于硬质合金刀具的走刀路线应区别于陶瓷刀片走刀路线，例如图11，由于沟状磨损陶瓷刀片会很快失效。陶瓷刀具切削编程与硬质合金刀具的编程方法和走刀路线不完全相同，必须采用恰当的走刀路线和切削参数。

轴肩处切削参数的确定。对于最常用的刀片RNGN 45 T1 WG 300来说，切深只有3mm左右。如果只是车端面或外圆，不会出现任何问题。但如果零件型面上有凸台或凹槽等，切削环境就要发生改变。比如切到轴间处时，参与切削的刃长会增长数倍，切削力增加很多。如果还沿用以前的进给值，则由于进给速度过快，使刀刃承受不了如此大的切削力而导致刀片崩刃甚至碎裂。此类现象在现场经常出现。此时，我们一定要有一个明确的认识，出现此故障就是因为切削力过大造成的，要想尽办法降低切削力。采用的办法无外乎两种，一是增加速度，使废屑进一步软化，二是降低进给，减小切削力。实践证明，降低进给的方法更有效。如果还不能解决问题，则可以考虑换用更小半径刀片切削。

(1)若零件为T型板，如图3所示。图3为T型板的零件图，最初计划应用φ6.35陶瓷刀片进行半精加工，然后采用R0.8陶瓷刀片进行精加工。这是以前在卧车上没有做过的。由于应用陶瓷刀片在卧车上进行加工的经验很少，也没有应用过R0.8刀片精加工，所以对于参数的选择仅仅依靠的是刀具商给出的参考范围，经过反复调整切削参数，终于掌握了卧车上加工刀片的切削参数，但由于对陶瓷刀片的切削机理和零件加工特性掌握的不够，导致试验件变形，止口尺寸超差0.17mm。虽然试验件的加工失败了，但是却积累了用R0.8陶瓷刀片进行精加工的宝贵经验，并且成功的验证了将陶瓷刀片应用在数控卧车上的可能性。

考虑到该零件为薄壁件，极易变形，采用陶瓷刀片去除余量半精加工后，采用R0.8和R0.4合金刀片进行精加工。半精加工给精加工单边留0.5余量，考虑到陶瓷刀片加工的易变形性，在加工过程中吸取试验件的教训，重新安排走刀路线并对切削参数不断进行调整，经过加工实验，加工出了合格零件。合金刀片采用的是德国的 WALTER的0.4偏刀和0.8偏刀，伊斯卡的R2球刀，陶瓷刀片选择的是美国绿叶的411956-2VRS φ6.35圆刀片。经过多次试验，陶瓷刀片的参数设置如下：GH4169环锻件的加工，线速度为370 m/min～420m/min，进给速度为0.15 mm/rev～0.23mm/rev, 切深为0.5 mm～1.2mm。切速比硬质合金刀具所选切速高10倍。

(2) 若零件为镍基高温合金。图4为低压二级机匣半精车小端工序的零件图型,走刀的顺序为①-②-③-④-⑤-⑥-⑦。图5为半精车大端零件图型，走刀路线为①-②-③-④-⑤-⑥。经过多次试验，陶瓷刀片的参数选择如下：线速度为370 m/min～420m/min，进给速度为0.15mm/rev～0.23mm/rev, 切深为0.5 mm～1.7mm。进刀时采用了斜向切削新工艺。加工效率是原来的近80倍。

(3) 含钴元素的铸造高温合金环块。该材料属铸造高温合金，硬度HRC＜33，元素含量见表1：

表1为铸造高温合金元素含量表

其中，Co含量占14%～16%，该材料韧性大，是高温合金中我们遇到最难加工的材料之一。 该零件结构是大直径小弦长的环块。加工时将多块零件组成的一个圆环，并没有头尾吻接，零件之间留有间隙。经过多次试验，本实施方式选择了以下参数：线速度790～820 m/min，进给速度的范围为：0.15 mm/rev～0.23mm/rev；切深的范围为：0.5 mm～1.7mm。

在步骤105，实时调整工况，保证陶瓷刀片的正常工作。

若切削过程中，温度低于600°C，则采用提高切削速度的方法，使切削过程产生足够的切削热，保证切削点的温度在600°C以上。

在加工镍基高温合金零件时，陶瓷刀片的沟状磨损现象发生在切深线上，即沟状磨损达到最大的同时后刀面磨损也达到最大，沟状磨损扩展至刀片1/3的厚度上时，沟状磨损或崩刃会出现在切削区域内，此时，需采用提高切速或降低进给或两者同时调整的方法，来纠正陶瓷刀片的磨损；

若陶瓷刀片出现崩刃，并在刀片前面出现火花，此时应降低进给完成本次切削；

  如果由于机床原因使主轴转速达不到规定的要求，可以降低主轴转速，但进给与切速必须同比例增大或缩小，保证切削点处足够高的温度。但此时切削效率会降低很多。

注意加工过程中的振动现象对刀具的伤害。尽管在陶瓷刀具内加入了碳化硅晶须成分，改善了其韧性，但它仍是一种脆性材料，最怕振动。无数次的实际操作也证明了这一点。在切削过程中，对陶瓷刀具对机床的整体刚性，刀夹、工件、卡盘及刀杆的刚性要求非常高，一旦出现振动现象，刀具破损会非常厉害，甚至粉身碎骨。因此，如果不能满足刚性要求，最好不要用陶瓷刀具。更不要试途在普通车床上使用陶瓷刀具。

步骤5：切削过程中，尽可能地加大冷却液的浇注量，使零件冷却。

加注冷却液不会降低切削点的温度，不影响切削质量，因为当冷却液浇到切削区域时，切削已经完成，此时的冷却液只会降低铁屑的温度，使排屑更为顺畅。因此，要尽可能地加大冷却液地浇注量。

当然，如果冷却系统不理想，或在特定条件下冷却液跟不上，也无关紧要，即使在冷却液不充分、时断时续或干切的状态下，陶瓷刀具仍能保证正常工作。

系统测试。由于没有采用陶瓷刀片加工后零件材料性质变化情况的第一手资料，所以为了能够具有最基本、最详细的数据，请黎明公司理化实验室专门对应用陶瓷刀片加工和应用合金刀片加工后的零件作比对，以下为公司理化室做的详细报告：从表面成分分析结果看，两种刀具加工的试件表面成分无明显差异，为进一步分析陶瓷刀具加工的试件表面是否有其它元素，对试件表面进行了元素面分布扫描，检查结果：用陶瓷刀具加工的试件表面未见陶瓷元素污染。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅有所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种采用陶瓷刀片的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采用陶瓷刀片在卧车上对零件进行加工；

步骤2：对陶瓷刀片进行选择，方法为：首先陶瓷刀片应与工件相匹配；其次如果加工空间允许，则选用大直径圆刀片进行切削；如果是车外圆和端面或大直径零件的内孔，则选择负前角刀片进行切削；如果零件型面有凸台或凹槽，而且凸台或凹槽的圆角半径小于圆刀片半径，则先用圆刀片切削大部分余量，再用尖刀或槽刀片去除圆角处的余量；

在下次切削前，应检查是否需要更换刀片：粗加工时应充分利用已崩刃的刀片，不要匆忙决定放弃该刀片；

步骤3：确定切削参数及走刀路线，对零件进行切削；

(1)若零件为T型板，则先采用陶瓷刀片去除余量进行半精加工，再采用合金刀片进行精加工；陶瓷刀片的切削参数设置为：

线速度的范围为：370m/min～420m/min；

进给速度的范围为：0.15mm/rev～0.23mm/rev；

切深的范围为：0.5mm～1.2mm；

(2)若零件为镍基高温合金，则陶瓷刀片进刀时采用斜向切削工艺或变切深切削，陶瓷刀片的切削参数设置为：

线速度的范围为：370m/min～420m/min；

进给速度的范围为：0.15mm/rev～0.23mm/rev；

切深的范围为：0.5mm～1.7mm；

(3)含钴元素的铸造高温合金环块，其中钴元素的含量占14％～16％，该零件结构是大直径小弦长的环块，加工时将多块零件组成的一个圆环，并没有头尾吻接，零件之间留有间隙；陶瓷刀片的切削参数设置为：

线速度的范围为：790m/min～820m/min；

进给速度的范围为：0.15mm/rev～0.23mm/rev；

切深的范围为：0.5mm～1.7mm；

步骤4：若切削过程中，温度低于600℃，则采用提高切削速度的方法，使切削过程产生足够的切削热，保证切削点的温度在600℃以上；

在加工镍基高温合金零件时，陶瓷刀片的沟状磨损现象发生在切深线上，即沟状磨损达到最大的同时后刀面磨损也达到最大，沟状磨损扩展至刀片1/3的厚度上时，沟状磨损或崩刃会出现在切削区域内，此时，需采用提高切速或降低进给或两者同时调整的方法，来纠正陶瓷刀片的磨损；

若陶瓷刀片出现崩刃，并在刀片前面出现火花，此时应降低进给完成本次切削；

步骤5：切削过程中，尽可能地加大冷却液的浇注量，使零件冷却。

2.如权利要求1所述的陶瓷刀片的加工方法，其特征在于：步骤2所述的负前角刀片通过转换刀刃的方法至少更换8次刀刃。

3.如权利要求1所述的陶瓷刀片的加工方法，其特征在于：若零件为T型板，所述的采用陶瓷刀片去除余量进行半精加工，半精加工给精加工单边留0.5余量。