機加工“老司機”教你對付難加工材料
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發(fā)表時間：2020-05-31 16:02:05
目前，金屬切削技術(shù)已經(jīng)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(yīng)用，其中以不銹鋼、鈦合金、淬硬鋼等材料最具代表性。
不 銹 鋼
材料加工硬化性大，在切削過程中，被加工材料會產(chǎn)生塑性變形；不銹鋼的導(dǎo)熱率低，切削加工時切屑帶走熱量少，切削點的溫度上升，導(dǎo)致刀具壽命變短；同時，不銹鋼親和性大，易使刀尖產(chǎn)生積屑瘤和后刀面產(chǎn)生附著物，從而使被加工表面精度下降。
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鈦 合 金
鈦合金的切削加工性表現(xiàn)為：密度小、導(dǎo)熱性差、切削加工時切削熱不易擴散，導(dǎo)致刀具壽命很短。鈦合金的親和力大；具有高的化學(xué)活性，易與相接觸的金屬親和，導(dǎo)致粘結(jié)、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。
淬 硬 鋼 材 料
主要特點是硬度、強度高, 塑性、導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)熱性、低塑性、高脆性、化學(xué)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(xué)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(zhì)量，降低切削力。
硬質(zhì)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(zhì)合金、細晶粒硬質(zhì)合金和超細晶粒硬質(zhì)合金；按化學(xué)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)電加熱切削，即在工件和刀具的回路中(工件必須是導(dǎo)電體)施加低電壓(約5 V)、大電流(約500 A)，使切削區(qū)產(chǎn)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(nèi)發(fā)明了“電熔爆”切削法。帶電的刀盤與被加工表面產(chǎn)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(nèi)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(jù)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(zhì)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(fù)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(shù)。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(fù)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(yù)置理想可控的壓應(yīng)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(zhì)量。這就是超高速切削的理論基礎(chǔ)。美國、德國、日本的學(xué)校和工廠在這方面有很多實踐，他們用硬質(zhì)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(shè)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(xué)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。
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(yīng)用，其中以不銹鋼、鈦合金、淬硬鋼等材料最具代表性。
不 銹 鋼
材料加工硬化性大，在切削過程中，被加工材料會產(chǎn)生塑性變形；不銹鋼的導(dǎo)熱率低，切削加工時切屑帶走熱量少，切削點的溫度上升，導(dǎo)致刀具壽命變短；同時，不銹鋼親和性大，易使刀尖產(chǎn)生積屑瘤和后刀面產(chǎn)生附著物，從而使被加工表面精度下降。
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鈦 合 金
鈦合金的切削加工性表現(xiàn)為：密度小、導(dǎo)熱性差、切削加工時切削熱不易擴散，導(dǎo)致刀具壽命很短。鈦合金的親和力大；具有高的化學(xué)活性，易與相接觸的金屬親和，導(dǎo)致粘結(jié)、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。
淬 硬 鋼 材 料
主要特點是硬度、強度高, 塑性、導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)熱性、低塑性、高脆性、化學(xué)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(xué)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(zhì)量，降低切削力。
硬質(zhì)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(zhì)合金、細晶粒硬質(zhì)合金和超細晶粒硬質(zhì)合金；按化學(xué)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)電加熱切削，即在工件和刀具的回路中(工件必須是導(dǎo)電體)施加低電壓(約5 V)、大電流(約500 A)，使切削區(qū)產(chǎn)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(nèi)發(fā)明了“電熔爆”切削法。帶電的刀盤與被加工表面產(chǎn)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(nèi)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(jù)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(zhì)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(fù)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(shù)。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(fù)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(yù)置理想可控的壓應(yīng)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(zhì)量。這就是超高速切削的理論基礎(chǔ)。美國、德國、日本的學(xué)校和工廠在這方面有很多實踐，他們用硬質(zhì)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(shè)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(xué)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。
此文關(guān)鍵字：機加工,老司機,教你,對付,加工,材料
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