超硬、難加工材料切削刀具及刃磨和使用方法

2023-10-10 02:41:29 7

專利名稱:超硬、難加工材料切削刀具及刃磨和使用方法
本發明涉及一種改進的陶瓷刀具和它的刃磨與使用方法，特別是一種能勝任多種超硬、難加工材料坯件拔荒粗加工、工件半精加工與精加工的機械夾固或粘接鑲齒切削刀具和它的刃磨與使用方法。
高純氧化鋁陶瓷或氧化鋁基複合陶瓷(Al2O3+15～30%TiC)刀具的缺點如「切削刀具材料的現狀和發展趨勢」(Herbert S.Kalish」Status ReportCutting Tool Materials」＜Metal Progress＞No.11/1983)一文所述主要是性脆。因此儘管它具有不少優點，但由於氧化鋁基陶瓷刀具的抗衝擊能力差、易崩刃，故它在刀具材料構成比中被限制在1～5%的範圍內。冷壓或熱壓燒結製得的Sialon(Si3N4-Al2O3)陶瓷如「氮化矽為灰鑄鐵加工提供高切削效率」(「Silicon nitride inserts offer high cutting rates for cost iror＜Cutting Tool Engineering＞Vol.35/1983/No.1-2)一文所述，它不適於鋼件加工，也很少用於有色金屬件加工。在硬鐵金屬，如冷硬鑄鐵、淬硬鋼，和鎳基合金等難加工材料加工中要求具有優良韌性、高的硬度與高溫強度、在高溫與高應力作用下具備高耐磨性的切削刀具(日本專利No 82145079、No 84146983、No 8469475，美國專利US-4388085、US-4286905，歐州專利No 95129)，特別是具有超高速切削、高材料切除率加工、高度與光潔度加工和超硬、難加工材料坯件的拔荒粗切削能力的刀具。
本發明的任務是提供一種由氮化矽(Si3N4)基韌性複合陶瓷刀片製作的改進刀具及其刃磨與使用方法，使它能勝任多種超硬、難加工材料的粗、精切削加工，擴大工具機的工藝能力，實現高速、超高速切削、高切除率加工或高精度、高光潔度加工，特別是能勝任多種淬硬鋼、硬鑄鐵坯件的拔荒粗切削。
本發明是通過下述幾方面來完成的將熱壓、熱等靜壓或氣壓與無壓燒結製取的Si3N4基韌性複合陶瓷製成規定的幾何形狀，經刃磨、研拋或修整後裝入改進的刀齒槽，在最佳切削條件下進行加工就能實現高速、超高速切削、高材料切除率加工、高精度與光潔度加工，特別是多種硬鐵金屬坯件的拔荒粗加工。本發明的使用應當遵循以下詳述的實施細則本發明刀具所採用的刀片材料為高耐磨性的Si3N4基韌性複合陶瓷，其配方按重量比計可為TiC2～30%、TiN0.3～5%、Co0～9%、MgO 0～10%、Y2O30～10%、Al2O30～5%、AlN 0～5%和高純微細α-Si3N4100%。
刀片可直接壓製成形或切割成形，刀片的幾何形狀可為(13×13)～(40×40)mm×mm矩形，(5～15)×(10～80)mm×mm長方形，(9.53×3.2×0.4)～(15.88×6.35×12)mm的三角形，外徑φ15～80mm、內徑φ6～30mm的自迴轉式刀片，φ10～60mm的圓形，刀片厚度為3～15mm(圖1)。刀片安裝在刀體(杆)上的切削角度為前角(γ)5°～-14°、后角(α)2°～8°、刃傾角(λ)0°～-14°、主偏角(ψ)15°～75°、付偏角(ψ1)0°～30°、刀刃負倒稜(-γ″×a)(-4°～-30°)×(0.1～0.5mm)、刀尖圓弧半徑R≤0.3mm(圖3)。在大進給量或高光潔度精加工時R值可大於0.3mm。要求斷屑時可在前刀面距刀尖1～3mm處磨出(1.5×1.5)～(3×3)mm臺階形或半徑r＝1.5～3mm的窪圓弧斷屑槽(圖5)。
安裝刀片的刀體(杆)(圖2)用不淬硬經退火或調質處理的優質中碳鋼製作，其牌號可為35＃～45＃，軟質的刀片槽在刀片壓緊時可避免受損。本發明採用的鑲齒刀結構的特點在於刀片槽底部和側面定位面是按刀具實際要求的γ、α、λ和ψ角銑出，與刀體(杆)基面呈δ1、δ2和ε角(圖4)。δ1角取決於付刀刃的γ′和α′角，δ2角決定於γ、αλ角，經常取∠δ1＝∠-γ′＝∠α，∠δ2＝∠-γ＝∠α＝∠-λ，ε角決定於ψ角。刀片壓板應修圓壓緊端頭以防止偏壓或出現幹涉，壓緊點應在近刀尖一側。
刀片用人造金剛石砂輪在工具磨床或專用刀具磨床上進行刃磨，砂輪規格可為80＃～180＃粒度、75～100%濃度、樹脂結合劑(S)的碗形(BW)或平形(P)。用金剛石研磨膏加機油在平板研具上研拋刀刃面，研磨膏粒度可為W5～W14，研磨劑用10＃～30＃機油，研具材料可為高磷鑄鐵，Ⅰ、Ⅱ級灰鑄鐵。用金剛石油石可代替金剛石研磨膏在現場對粗加工、半精加工用刀片進行現場研拋和修整，其規格為6%濃度、W10～W14粒度，使用時應蘸少許機油。
金剛石砂輪刃磨刀片時，磨削用量可為砂輪線速度V＝1400～1800m/min、縱向進給用手動慢速進給、橫向進給量0.01～0.03mm/dst(粗磨時)或≤0.01mm/dst(精磨時)，終磨前應作2～5次不進刀光磨。金剛石砂輪用鈍後可用金剛石研磨膏加機油在研具上修研去除鈍的金剛石砂粒。
本發明的切削刀具，其切削用量範圍可為加工硬度Hs50～80的硬鑄鐵件時，切削速度V＝20～75m/min、進給量f＝0.1～2.6mm/r、切削深度a＝0.2～5mm，硬度為Hs＞80的超硬鑄鐵件時V＝10～40m/min、f＝0.1～1.2mm/r、a＝0.1～3mm，硬度為HRC40～59的淬硬鋼時V＝30～95m/min、f＝0.043～0.45mm/r、a＝0.1～3mm，硬度為HRC60～68的淬硬鋼時V＝20～60m/min、f＝0.043～0.35mm/r、a＝0.1～2mm，硬度HB≤300的普通灰鑄鐵、半可鍛鑄鐵、鎳合金鑄鐵等件時V＝150～1500m/min、f＝0.1～2.6mm/r、a＝0.1～5mm，加工鎳基合金時V＝18～110m/min、f＝0.1～0.45mm/r、a＝0.2～2mm。最佳切削用量應按加工工件材質、硬度和加工要求在上述範圍內擇優。在加工淬硬鋼和鑄鐵件時不使用冷卻潤滑液，切削鎳基和鈦基合金或超硬鑄鐵件時可使用冷卻潤滑液。冷卻潤滑液的供應必須做到連續、充分和準確，冷卻潤滑劑可為5～15%乳化液或水溶性切削液、其流量不小於4.5～6lit/min，以保證切削區受到充足、不間斷地冷卻。切削試驗證實，正確地冷卻潤滑可使刀具後刀面平均磨損值VB減少6/7。
本發明的切削刀具及其刃磨與使用方法已經過大量切削試驗和生產現場試驗與應用考驗，取得良好的效果。在各種淬硬鋼(HRC≤68)，各種硬鑄鐵-冷硬鑄鐵(Hs≤90)、白口鑄鐵和高硬合金耐磨鑄鐵(HRC 62～64)等，鎳基合金、硬鎳噴塗層和鎳合金鑄鐵，有色金屬及其合金，熱解石墨、玻璃絲層壓複合材料，聚苯碸醚等新型工程塑料的加工中，本發明的Si3N4基韌性複合陶瓷刀的壽命是Al2O3複合陶瓷刀、Al2O3-ZrO2陶瓷刀，硬質合金Hl、YG6X、YG3、YG8N和YT14等刀的3～113倍，材料切除率則是它們的2～23倍。它可完成光潔度為
7、加工錐度≤0.01mm/500mm的硬鐵金屬件精車或精銑加工，也可完成45＃
7～
9的精車削及Hs≤82的鑄造坯件拔荒粗車削。它可在車、銑、刨、鑽、挑扣、切槽和鏜孔等工序中使用，實現「以車代磨」。
實施例一高速車削Ⅰ級灰口鑄鐵、半可鍛鑄鐵和鎳基噴塗層用本發明的切削刀具在實驗室已實現切削速度V＝725m/min的Ⅰ級灰口鑄鐵、半可鍛鑄鐵件的高速車削。它的刀具壽命是YG3硬質合金刀的11倍。因現有工具機轉速和工件直徑的限制未能進一步提高切削速度。某廠使用本發明刀具，在加工硬鎳1＃噴塗層(HRC60～62)時實現了V＝80～110m/min的高速車削，並已能穩定地用於生產而不崩刃。
實施例二冷硬鑄鐵軋輥輥面加工用本發明的Si3N4基韌性複合陶瓷刀在五個廠家對φ(227～770)×(800～3150)mm的冷硬鑄鐵軋(磨)輥(Hs66～90)、無限鑄鐵軋輥等進行現場切削實驗，在鑄造坯件的拔荒粗車、工件的粗車、半精車和精車加工中取得良好的效果。
坯件拔荒粗車和工件粗車採用20×20mm、厚10mm的Si3N4基韌性複合陶瓷刀片，刀片幾何形狀呈圖1的(b)型，工件粗車時也用過(a)型。工件的半精車用圖1的(a)型16×16或20×20mm刀片，厚度為6mm。在3A64磨床、2M7025工具磨床上，用JR120S100BW 100×32.5×20、JR180S100BW100×32.5×20的人造金剛石砂輪進行刃磨，磨削用量為V＝1433m/min、手動走刀、橫向進給～0.02mm/dst，磨至
7～
8表面光潔度，拔荒粗車、粗車與半精車刀片用6%濃度、W14的金剛石油石修研，精車刀片用W5金剛石研磨膏加30＃機油在灰鑄鐵小平板上研磨拋光到前刀面
9，後刀面
10～
11。所使用的刀具幾何角度、刀片槽幾何角度和拔荒粗車、粗車、半精車和精車的切削用量列於表1。工件材質、硬度與尺寸和加工效果列於表2。
(表1、表2請見下頁)實施例三車320推土機20Cr滲碳淬火(HRC68)肖套零件用本發明的刀具在CA6140車床上車削滲硬到HRC68的推土機肖套φ78外圓，採用圖1a型刀片，幾何角度為γ＝-7°、α＝7°、λ＝-7°、ψ＝45°、ψ1＝15°、負倒梭-14°×0.1mm，R＝0.2mm，切削用量為V＝38.2m/min、f＝0.15mm/r、a＝0.25mm、無冷卻潤滑。與YT30硬質合金刀對比，其刀具壽命是YT30刀的66倍。
實施例四選擇刀具磨損最小(刀具壽命最長)的最佳切削速度和進給量
被加工件耐磨鎳合金鑄鐵坯料，φ12.5×180mm，材料化學成分為C、2.35～2.94、Ni 14.9～16.0、Cr 1.41～2.16、Si 1.71～2.50、Mn 0.79～0.99、Cu 7.22～7.33、P 0.16～0.30、硬度HB 160～200、離心澆鑄。
為確定該工件加工時使用本發明的Si3N4基韌性複合陶瓷刀的最佳切削參數，以刀具後刀面B區平均磨損值VB達到最小為目標，通過試驗設計和切削試驗確定最優的切削速度V0和進給量f0，同時考查V與f的交互作用、判斷V與f的變化對VB的影響。
根據工件與工具機轉速級選定V與f兩因素，給定它們的水平，見表3。(表3請見第8頁)
選用L8(41×24)正交試驗表。在CA6140車床上用本發明刀具(γ-5°、α5°、λ-5°、ψ45°、ψ115°、-10°×0.1mm、R0.1mm)按隨機抽取的試驗順序號進行8次V與f組合的車削試驗。當切削總路程L＝870m固定不變時，測定每次切削後後刀面磨損值VB得
用直觀比較法計算對應於Vi，fj的平均磨損值
υ1＝ 1/2 (0.215+0.2)≈0.21，
f1＝ 1/4 (0.215+0.195υ2＝ 1/2 (0.195+0.2)≈0.20，+0.17+0.185)υ3＝ 1/2 (0.17+0.18)≈0.18，
f2＝ 1/4 (0.2+0.2+υ4＝ 1/2 (0.185+0.195)＝0.19，0.18+0.195)＝0.194由VB的平均值來決定切削速度的優值，當取V3＝170m/min時它對應的後刀面磨損值VB最小，故以V3為優值。同理f1為優值。由於f1與f2時的平均VB值相差很小說明進給量在0.08～0.30mm/r範圍時對VB影響不明顯。因此可以採用V＝170m/min、f＝0.08mm/r(或0.30mm/r)作切削用量。
重複上述試驗一次後按方差分析來考查V與f的交互作用，結果是這種交互作用不顯著，最佳切削速度與進給量仍為170m/min和0.08
為驗證上述作法是否能確定最佳或相對最佳的V0與f0，再進行按L25(56)表設計的兩因素5個水平，即V(54、97、166、248、407)m/min、f(0.08、0.12、0.16、0.20、0.24)mm/r的正交切削試驗來驗證，且判定V與f交互作用不顯著。在實際應用中採用V0＝166～248m/min，f＝0.08～0.16mm/r作為該坯件與工件粗精加工的最佳切削速度和進給量範圍。
實施例五幾種刀具切削性能的對比將本發明的刀具與Si3N4-TiC-Co系複合陶瓷刀、T6(Al2O3-TiC)陶瓷刀、Al2O3-ZrO2陶瓷刀(西德)、硬質合金726、610和YN10刀，在CA6140車床上車削硬度HRC58～62的CrWMn淬硬工件，φ120×260mm，進行切削性能對比得表6。
實施結果證明本發明的Si3N4基韌性複合陶瓷刀在固定切削總路L＝1373m時，它的後刀面平均磨損值最小。在固定後刀面磨損VB＝0.30mm時，它的刀具壽命達210min是Si3N4-TiC-Co陶瓷刀的2.06倍、Al2O3-TiC系陶瓷(T6)刀的7.06倍、726刀的53.8倍、610刀的60倍、YN10刀27.63倍。它的最佳切削速度為V＝58m/min，高於其它刀具。
權利要求
1.一種切削刀具是由刀片(圖1)和刀體(杆)(圖2)組成，其特徵是，刀片材料為氮化矽(Si3N4)基韌性複合陶瓷，被製成矩形，長方形、三角形、圓形或各種規定的幾何形狀，用機械夾固或粘接方式固定於刀體(杆)上，刀體(杆)採用不淬硬的韌性材料製作並按要求的實際切削角度(圖3)銑出刀片安裝槽(圖4)。
2.按權項1所述的切削刀具，其特徵是刀片材料經熱壓、熱等靜壓、氣壓或無壓燒結製得，其配方按重量比為TiC 2～30%、TiN 0.3～5%、Co 0～9%、MgO 0～10%、Y2O30～10%、Al2O30～5%、AlN 0～5%和高純微細α-Si3N4100%。
3.按權項1所述的切削刀具，其特徵是刀片幾何形狀為(13×13)～(40×40)mm×mm的矩形，(5～15)×(10～80)mm×mm的長方形，(9.53×3.2×0.4)～(15.88×6.35×1.2)mm的三角形，φ10～60mm的圓形，外徑φ15～80mm、內徑φ6～30mm的自迴轉式刀片，刀片厚度3～15mm，刀片安裝在刀體(杆)上的切削角度為前角(γ)5°～-14°、后角(α)2°～8°、刃傾角(λ)0°～-14°、主偏角(ψ)15°～75°、付偏角(ψ1)0°～30°、刀刃負倒稜(-4°～-30°)×(0.1～0.5mm)、刀尖圓弧半徑R≤0.3mm(圖3)，在大進給量或高光潔度精加工時，R值可大於0.3mm，在要求斷屑時可在前刀面距刀尖1～3mm處磨出臺階形或窪圓弧斷屑槽(圖5)。
4.按權項1、3所述的刀具，其特徵是刀體(杆)採用不淬硬經退火或調質處理的優質中碳鋼製作，其牌號為35＃～45＃，刀體(杆)上刀片安裝槽可按γ、α、λ和ψ等幾何角度要求銑成與刀體(杆)基面呈傾斜的定位面(圖4)。
5.一種氮化矽(Si3N4)基韌性複合陶瓷刀片的刃磨方法，其特徵是採用人造金剛石磨具、磨料進行刃磨、研拋或修整。
6.按權項5所述的刀片刃磨方法，其特徵是，採用人造金剛石砂輪，其規格為80～180＃粒度、75～100%濃度、樹脂結合劑的碗形或平形，用金剛石研磨膏添加機油在鑄鐵等材質研具上研磨刀刃面，研磨膏粒度為W5～W14，研磨劑為10～30＃機油，用金剛石油石可代替金剛石研磨膏對粗加工或半精加工用刀片進行現場研拋和修整，其規格為6%濃度、W10～W14粒度。
7.按權項5或6所述的刀片刃磨方法，其特徵是，磨削用量為金剛石砂輪線速度V＝1400～1800m/min、縱向進給用手動慢速進給、橫向進給量0.01～0.03mm/dst(粗磨時)、或≤0.01mm/dst(精磨時)，終磨前應進行2～5次不進刀光磨，金剛石砂輪用鈍後可用金剛石研磨膏在研具上修研去除圓鈍的金剛石砂粒。
8.按權項1、5所述的切削刀具使用方法，其特徵是切削用量範圍為加工硬度為Hs50～80的硬鑄鐵件時，切削速度V＝20～75m/min、進給量f＝0.1～2.6mm/r、切削深度a＝0.2～5mm，硬度為Hs＞80的超硬鑄鐵件時V＝10～40m/min、f＝0.1～1.2mm/r、a＝0.1～3mm，硬度為HRC40～59的淬硬鋼時V＝30～95m/min、f＝0.043～0.45mm/r、a＝0.1～3.0mm，硬度為HRC60～68的淬硬鋼時V＝20～60m/min、f＝0.043～0.35mm/r、a＝0.1～2mm，硬度HB≤300的普通灰鑄鐵、半可鍛鑄鐵、鎳合金鑄鐵等件時V＝150～1500m/min、f＝0.1～2.6mm/r、a＝0.1～5mm，加工鎳基合金時V＝18～110m/min，f＝0.1～0.45mm/r、a＝0.2～2mm，最佳切削用量應按加工工件材質及硬度在上述範圍內擇優。
9.按權項8所述的刀具使用方法，其特徵是切削淬硬鋼和各種鑄鐵件時不使用冷卻潤滑液，切削鎳基、鈦基合合或超硬鑄鐵件時可使用冷卻潤滑液，冷卻潤滑液的供應必須做到連續、充分和準確，冷卻潤滑劑為5～15%濃度的乳化液或水溶性切削液，流量為4.5～6lit/min。
專利摘要
一種改進的高耐磨性氮化矽基韌性複合陶瓷切削刀具和它的刃磨與使用方法，能夠適應多種金屬與非金屬材料、工程塑料與複合材料粗精加工，特別是能勝任多種超硬、難加工材料坯件拔荒粗加工與工件半精加工和精加工。高的紅硬性、長的切削壽命和穩定的化學性能使這種刀具能實現超高速切削、高材料切除率加工和高的加工精度與表面光潔度加工，並能擴大現有工具機的工藝能力獲取良好的經濟效益。切削試驗與生產應用證明其切削性能優於硬質合金刀具和現有的陶瓷刀具。
文檔編號B23B27/00GK85100128SQ85100128
公開日1986年8月20日 申請日期1985年4月1日
發明者羅振壁, 苗赫濯, 江作昭, 衷待群, 馬德金 申請人:清華大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan