干式切削刀具及其在加工轧辊中的应用

一、前言

淬硬轧辊的最终加工过去常由磨削加工来完成,而磨削加工不仅效率低,而且所使用的切削液会给环境带来污染,并影响操作者的身体健康,因此,采用干式切削刀具对淬硬轧辊的硬态干式切削加工已成为目前研究与应用的热点。淬硬轧辊的干式切削加工实现了以车代磨,加工效率提高了5～10倍,并可避免环境污染,是一种高效、洁净的工艺方法,符合绿色制造、清洁生产模式,具有广泛的应用前景。

二、干式切削淬硬轧辊刀具

1、刀具材料及其选用

(1)陶瓷材料

陶瓷刀具具有高硬度(HRA91～95)、高强度(抗弯强度为750～1000MPa)、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等优点。陶瓷刀具还具有很高的高温硬度,1,200℃时硬度达到HRA80。正常使用时,陶瓷刀具耐用度极高,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,加工硬度可达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁等。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。氧化铝基陶瓷刀具比硬质合金有更高的红硬性,高速切削状态下切削刃一般不会产生塑性变形,但它的强度和韧性很低,为改善其韧性,提高耐冲击性能,通常一方面可加入氧化锆或TiC和TiN的混合物,另一种方法是加入碳化硅晶须。氮化硅基陶瓷除红硬性高以外,还具有良好的韧性,与氧化铝基陶瓷相比,它的缺点是在加工钢时易产生高温扩散,加剧刀具磨损,氮化硅基陶瓷主要应用于断续车削灰铸铁及铣削灰铸铁。金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料,其中TiC为主要的硬质相(0.5～2µm),它们通过Co或Ti粘结剂结合起来,是一种与硬质合金相似的刀具,但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性。它比常规硬质合金能承受更高的切削温度,但缺乏硬质合金的耐冲击性、重型加工时的韧性以及低速大进给时的强度。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及瑞典山德维克公司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。

(2)CBN

CBN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(HRC50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,其切削速度可提高一个数量级。

CBN含量高的PCBN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PCBN刀具中CBN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,适用淬硬钢的切削加工。

使用PCBN刀具干式切削淬硬轧辊还应遵循以下原则: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PCBN刀具的磨损,此外在小切深时还应考虑采用PCBN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。

2、刀片结构及几何参数确定

刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度来说,各种刀片形状的刀尖强度从高到低依次为:圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后,应选用强度尽可能高的刀片形状。

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