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硬车削淬火钢的刀具材料介绍


淬火钢是机械加工车间常见的一种钢件,淬火钢工件种类繁多,并且在加工过程中出现很多加工难题。目前,加工淬火钢的刀具材料有涂层硬质合金刀具,陶瓷刀具和立方氮化硼刀具,针对以上三种刀具做了简单的分析,并简单阐述了淬火钢的切削用量。
一、淬火件变形的因素及预防与控制方法
(1)淬火件变形的原因:1)碳含量及其对淬火变化量的影响;2)合金元素对淬火变形的影响;3)原始组织和应力状态对热处理变形的影响;4)淬火前工件本身的应力状态对变形有重要影响。特别是形状复杂,经过大进给量切削加工的工件,其残余应力若未经消除,对淬火变形有很大影响。;5)工件几何形状对热处理变形的影响;6)工艺参数对热处理变形的影响。
 
(2)淬火变形的预防与控制方法:1) 反向压弯法:根据轴类零件的热处理变形规律,可在淬火前预加一个应力,即在零件弯曲方向的反向压弯,以补偿淬火后所产生的弯曲变形,可减小校直工作量。2) 静态淬火法:要求淬火冷却液的温度要均匀,并且是在淬火前刚被搅匀后的静止状态;3) 零件设计均匀对称:零件的截面形状设计应尽量均匀对称,必要时可开工艺用槽;4)采用专用淬火夹具淬火:如果零件截面是对称的,在出炉后可套入专用夹具,然后以垂直方向淬入冷却液。由于零件变形受到夹具的限制,一般都可以控制在预留余量范围以内;5)利用埋入式盐浴炉加热:插入式盐浴炉加热,零件单面受热快,容易产生弯曲变形,而埋入式盐浴炉则温度较均匀,而且节能,也可采用流动粒子炉;6)直吊横放:对于长零件淬火前后的存放,应注意不使零件因自重而弯曲,最好采用架子直吊。长途运输时,可采用多个塑料气垫包,这样不但能使零件自动取得平衡,且有减震作用;7)淬火前消除应力:用于重要的容易变形的零件,例如精密长丝杆等。淬火前进行退火或正火以细化晶粒并使组织均匀化,减少内应力。淬火加热时严格控制加热温度。
二、淬火钢加工中遇到的问题
    1、淬火钢的粗加工:车削加工热处理过的齿轮,齿圈的生产过程中,一些齿轮、齿圈淬火或渗碳淬火后,硬度一般在HRC55以上,有的硬度达到HRC60甚至HRC65左右。齿轮常用一下材质:20Cr、20CrMnTi,40Cr、42CrMo、35CrMo。有的齿轮热处理后变形严重,特别是渗碳淬火后的大齿圈,大齿轮,如高铁齿轮,工程机械大齿圈,重工行业用大齿圈等,这些大型齿轮齿圈淬火后变形量非常大,这就涉及到淬火钢粗加工。同样,在模具钢生产过程中,淬火钢的粗加工也经常看到,但很多厂家采取的措施也五花八门,有的先把大余量线切割掉,有的用硬质合金刀具慢慢啃,有的用CBN刀具多次走刀才能完成加工,工人感慨粗加工淬火钢是有劲使不出,干着急,没办法。
    2、淬火钢的断续加工:间断切削加工一直是个难题,何况是动辄HRC60左右的淬火钢。特别是在高速车削淬火钢时,如果工件有间断切削,刀具在间断切削淬火钢时会以每分钟100次以上的冲击来完成加工,对刀具的抗冲击性能是个很大的挑战。以汽车齿轮加工为例,淬硬齿轮以车代磨已经成为一种趋势,据了解,作为齿轮产业的三大市场之一,车辆齿轮占据了齿轮市场总额的62%,其中汽车齿轮又占据了车辆齿轮市场份额的62%。也就是说,汽车所用齿轮占有了整个齿轮市场近40%的比重,可见齿轮对于汽车产业的重要性。虽然淬火钢的以车代磨和硬车削已经很普及,其实汽车淬硬齿轮加工过程中仍然遇到很多问题,如一些汽车齿轮内孔有油孔,这就出现间断切削加工难题,很多CBN刀具在高速运转时期遇到油孔容易崩刀,齿轮的位置公差难以保证,等等
    3、淬火钢的切槽加工:举一个简单的例子,同步器滑套啮合槽淬火后的硬车削加工,虽然CBN刀具厂家开发出了同步器滑套专用CBN切槽刀具,但CBN刀具的寿命仍然不尽如人意。精密工具.
    4、淬火钢车削的光洁度问题:例如,轴承钢淬火后车削加工一般需要很好的表面光洁度,Gcr15钢是常用轴承钢,淬火后硬度一般在HRC62左右,在生产加工过称中,由于轴承的精度和光洁度要求非常高,如果设计调整好CBN刀具的刃口,淬火钢车削光洁度达到Ra0.4也不是不可能。
三、涂层硬质合金刀具加工淬火钢
涂层硬质合金刀具是在韧性较好的硬质合金刀具上涂覆一层或多层耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al2O3等,涂层的厚度为2~18µm,涂层通常起到以下两方面的作用:一方面,它具有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数,减弱了刀具基体的热作用;另一方面,它能够有效地改善切削过程的摩擦和粘附作用,降低切削热的生成。涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比,无论在强度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。对干硬度在HRC45~55HRC之间的工件的车削,低成本的涂层硬质合金可实现高速车削。近年来,一些厂家靠改进涂层材料与比例的方法,也使得涂层刀具的性能有极大的提高。如美国、日本一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新涂层专利技术生产的刀片,硬度高达4500 ~4900HV ,在车削温度高达1500℃~1600℃时硬度仍然不降低,不氧化,刀片寿命为一般涂层刀片的4倍.而成本只为30% ,且附着力好。它可以在498.56m/min的速度下加工硬度达47~52HRC 的模具钢。
四、陶瓷刀具加工淬火钢
    陶瓷刀具具有高硬度(91~95HRA)、高强度(抗弯强度为750~1000 MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、良好的抗粘结性能、摩擦系数低且价格低廉的特点。使用正常时,耐用度极高,车速可比硬质合金提高2~5倍,特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工,可加工硬度为62HRC的各类淬硬钢和硬化铸铁。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺,陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高,如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷NX2525及瑞典山特维克公司可乐满开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列,其晶粒组织的直径细小至1µm以下,抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷,大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。清华大学研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也达到了国际先进水平。
五、立方氮化硼刀具(CBN刀具)加工淬火钢
    立方氮化硼的硬度和耐磨性仅次于金刚石,有极好的高温硬度,与陶瓷刀具相比,其耐热性和化学稳定性稍差,但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(50HRC以上)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工,与硬质合金刀具相比,其切削速度甚至可提高一个数量级。
    立方氮化硼含量高的CBN刀具,硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好,其缺点是热稳定性差和化学惰性低,适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合P立方氮化硼刀具中立方氮化硼 颗粒含量较低,采用陶瓷作粘结剂,其硬度较低,但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点,适用于淬硬钢的切削加工。
    在切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域,陶瓷刀具和立方氮化硼刀具是可同时选择的,因此进行成本效益和加工质量分析非常必要,以确定哪一种材料更经济。P立方氮化硼刀具材料切削性能优于Al2O3,和Si3N4淬硬钢的干式切削加工时,Al2O3陶瓷的成本低于立方氮化硼材料,陶瓷刀具具有良好的热化学稳定性,但却不及立方氮化硼刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于6OHRC以下和小进给量情况下的工件时,陶瓷刀具是较好的选择。立方氮化硼刀具适合于工件硬度高于60HRC情况,尤其是对于自动化加工和高精度加工时更为重要。除此之外,在相同后刀面磨损情况下,立方氮化硼刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定。
使用立方氮化硼刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则:在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深,这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化,能有效降低 立方氮化硼刀具的磨损。此外,在小切探时也应尽可能采用立方氮化硼刀具,因立方氮化硼 刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散,剪切区也能产生明显的金属软化效应,减小切削刃的磨损。
六、淬火钢的切削用量  
    切削加工淬火钢的切削用量,主要根据刀具材料、工件材料的物理力学性能、工件外形、工艺系统刚性和加工余量来选择。在选择切削用量三要素时,首先考虑选择公道的切削速度,其次是切削深度,再其次是进给量。 
    (1)淬火钢切削线速度:一般的淬火钢耐热性在200℃~600℃,而硬质合金的耐热性为800℃~1000℃,陶瓷刀具的耐热性为1100℃~1200℃,立方氮化硼的耐热性为1400℃~1500℃。除高速钢外,一般淬火钢达到400℃左右时,它的硬度开始下降,而上述刀具材料仍保持它原有的硬度。所以在切削淬火钢时,充分利用上述这一特性,切削速度不宜选择太低或太高,以保持刀具有一定的耐用度。从目前的经验来看,不同的刀具材料切削淬火钢的切削速度,硬质合金刀具Vc=30~75 m/min;陶瓷刀具Vc=60~120 m/min;立方氮化硼刀具Vc=100~200 m/min。在断续切削和工件材料硬度太高时,应降低切削速度,一般约为上面最低切削速度的1/2。在连续切削时的最佳切削速度,以切下的切屑呈暗红色为宜。 
    (2)切削深度:一般根据加工余量和工艺系统刚性选择,一般情况下,αp=0.1~3 mm,目前针对大余量切削淬火钢的刀具材质有,吃刀深度达到7-10mm,针对淬火后变形工件,淬火钢加工余量难以控制需要退火处理再加工等难题给出了满意的刀具选择,改变了固有的淬火钢切削加工工艺;
    (3)进给量:一般为0.05~0.4 mm/r。在工件材料硬度高或断续切削时,为了减小单位切削力,应当减小进给量,以防崩刃和打刀;对于加工进给量的选择,建议根据工件的形状尺寸选择刀具角度,能提高加工效率同时,更能有效提高刀具的使用寿命。


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