难加工材料的高效切削

难加工材料高效加工探讨伊斯卡刀具公司吴江,1,机械制品：多功能、高功能、小型化、微细化制品材料：高硬度、高韧性、高耐磨性,2,航空业：喷气发动机：重量、高温强度（在高温下抵抗变形的能力，使用的平均温度以每年华氏16度的速率增加）高温合金,3,高温合金材料变形高温合金铸造高温合金粉末冶金高温合金弥散强化高温合金金属间化合物高温合金低膨胀、高弹性与恒弹性高温合金,4,变形高温合金可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-2531320，具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗腐蚀性能的一类合金。成分：以铁和镍为基体，合金化程度较高的一类高温合金性能：高温强度、抗氧化性和抗腐蚀性能优良，综合性能（疲劳性能、塑性，组织稳定性等）良好。应用：高性能涡轮盘及涡轮转子结构件、航空航天发动机的热端部件及工业燃气轮机、能源、化工等部门所需耐蚀材料。,5,表一变形高温合金,6,铸造高温合金:用母合金锭重熔后直接铸造成形零件的一类高温合金(如K3）成分：铁基、镍基、钛基和以铬为主要元素的铸造高温合金，具有更高的合金化元素含量性能：在高温及氧化腐蚀环境中性能优异使用温度700-1300应用：增压器涡轮、精铸叶片等,7,粉末冶金高温合金高温合金粉末经等静压成形或热等静压后再经锻造成形生产工艺制造出粉末高温合金产品性能：粉末颗粒细小、冷却速度快、从而成分均匀、无宏观偏析，而且晶粒细小，热加工性能好，合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。应用：航空发动机盘件，环形件等高温转动部件，高推重比发动机涡轮盘压气机盘和涡轮档板如：FGH95、FGH96、FGH97,8,弥散强化高温合金利用机械合金化方法，将具备极高热稳定性的，纳米级（30nm）氧化物粒子，均匀弥散（间距100nm）于Ni，Fe，Cu及A1基等合金基体中，作为高温强化相，克服了传统高温合金强化相在高温（1000以上）的粗化或溶解造成的强化作用消失。性能：纳米粒子的强化作用甚至可以保持到接近合金的熔点是1000-1400超高温使用的最佳材料如：MGH2956、MGH4754应用：航空发动机导向叶片、燃烧室内衬和尾喷管,9,金属间化合物高温合金Ti-Al-Mo-Cr-V钛合金TC4即Ti-641-4V钛合金,10,钛合金种类,型TATi-5Al-2.5SnTA7型TBTi-5Mo-5V-8Cr-3AlTB2+型TCTi-6Al-4VTC4铸造钛合金ZT加工性能：钛合金材料化学活性大，导热系数小，弹性模量小，刚性差，加工易变形，切削温度高，单位面积切削力大，冷硬现象严重。降低了刀具耐用度；600以上温度时，表面形成氧化硬层，对刀具有强烈的磨损作用；塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上应力很大，刀刃易发生破损；弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹量大，所以已加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。,11,航空高温合金的分类与例,钴基,铁基,镍铁基,12,航空常用材料,高温合金（如：Inconel718)不锈钢（如：15-5PH)铝合金（如：Al7075)钛合金（如：Ti6Al4v),13,密度,0,14,弹性模量,0,15,硬度（HRC）,16,强度,17,强度重量比,18,高温性能,deg.c,Inco718,15-5PH,Ti6-4,7075,Ni-base,19,高温合金材料难加工的主要原因：材料中含有高熔点合金元素，如钛、镍、钴、钨、钒等它们相互结合，或与氧、硼、碳等元素相结合，形成高硬度的化合物（颗粒）加剧刀具磨损材料本身的强度（特别是高温强度）和硬度高、韧性大、加工时表面塑性变形产生严重的加工硬化，使切屑强韧，因此切削力大，切削温度高有些难加工材料（如钛合金）化学活性大，与刀具材料的化学亲和力强，使刀具容易产生粘结磨损和扩散磨损，而加快刀具磨损刀具与工件间摩擦强烈而导热性差,20,高温合金加工性,极低的热传导性导热到切削工具高的热容量外力切削导致高温合金产生热量切削温度高50%可切削加工性5-20%切削力大2-3倍加工硬化严重，比基体高50-100%,21,刀具的破损刀尖塑性变形边界磨损月牙洼磨损积屑瘤扩散磨损,22,提高难加工材料加工效率的途径刀具材料刀具几何参数切削用量加工方式工艺系统的刚性,23,合理的刀具材料提高加工效率,24,钴高速钢,切削温度645650硬度（至HRC6770）Co热稳定性高温硬度摩擦系数高温合金、钛合金、奥氏体耐热钢及其他难加工合金,25,含钴超硬高速钢,W2Mo9Cr4Co8(M42)HRC6970铁基高温合金，铸造高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料,26,钴高速钢刀具的加工效果,27,粉末冶金高速钢,加工实例1.立铣刀铣槽，镍基合金，D110mm环W6Mo4Cr4V5Co5V=7m/minn=140r/minf=0.025mm/zVf=14mm/minVB=0.13mm时12个槽ASP30粉末V=10.1m/minn=200r/minf=0.068mm/zVf=50.4mm/minVB=0.13mm时36个槽2.HB321钛合金Ti6Al4VW2Mo9Cr4VCo8V=53.3m/min切削长度0.61mASP60/ASP30V=53.3m/min切削长度4.87m和2.74m,28,硬质合金细颗粒硬质合金和PVD涂层CVD复合涂层、MTCVD涂层、涂层陶瓷陶瓷如Si3N4立方氮化硼CBN金刚石（单晶）刃口锋利、热传导率高，刀尖滞留的热量较少,29,超细晶粒硬质合金,碳化物晶粒的平均尺寸在0.5m以下的WC-Co硬质合金硬度HRA9093强度Co915%抗弯强度为20003500MpaYS2(K30)铁基、镍基高温合金，钛合金和耐热不锈钢（低速）YD15例：车钛合金TC4盘端面（260mm）Vc=51r/minap=2mmf=0.2mm/r切削液T=40min(YS2比YG8高12倍),30,TiAlNPVD涂层的优势,硬度高、氧化温度高、红硬性好、附着力强、摩擦力小、导热率低涂层表层生成高强度的非结晶氧化铝薄膜（Al2O3),31,TiAlN和TiN涂层主要性能比较,TiAlNTiN维氏硬度HV(kgf/m2)27201930氧化温度840c(950c)620c粘附力80.360.3结构特征细柱状面心立方结构面心立方结构摩擦系数0.300.41TiAIN涂层比TiN可提高生产效率40%适合较高的速度，较低的切速会导致积屑瘤，随后微崩和沟槽磨损,32,33,34,陶瓷刀具材料,氧化铝基陶瓷，碳化硅陶瓷（99.9）高硬度和耐磨性（HRA9195）高温性能（Al2O3熔点2050）加工淬硬钢、合金钢、锰钢、铸铁、铸钢、镍或镍铬合金镍基或钴基耐热合金加工因康镍718（GH169）：V=200m/minf=0.2mm/r(硬度合金：V=30m/minf=0.3mm/r),35,36,37,立方氮化硼CNB,很高的硬度和耐磨性，很高的热稳定性（1400C-1500C，比金刚石高一倍，800C时是陶瓷和硬质合金常温性能）优良的化学稳定性，抗氧化能力（1000C时不会产生氧化反应，会产生一层氧化硼B2O3薄膜，防止进一步氧化），良好的导热性，较低的摩擦系数（0.1-0.3）CBN的含量高硬度越高，适合加工耐热钢、高硬钢，含量低的适合加工一般硬钢及有冲击的切削。CBN晶粒尺寸小，耐磨性好（21减至13时，刀具寿命提高28%）CBN刀具一般采用负前角（-6-18），加工镍基合金应采用正前角（0-8），后角可大些（6-25）,38,39,40,41,金刚石,极高的硬度和耐磨性，很低的摩擦系数，刃口非常锋利，很高的导热性等金刚石（碳）在钛中的溶解度比在铁中小得多，故其扩散磨损很小硬质合金（K类）加工Ti6Al4v，V=20-50m/min天然金刚石V=100-120m/min，T=30min刀具几乎没有磨损。用湿式切削V=200m/min刀具几乎没有磨损。硬质合金（K类），精切，V=60m/min时，工件10深的表层产生拉应力，在低一些的切速下产生压应力。金刚石V=120m/min更高时工件表层产生压应力。,42,合理的几何参数提高加工效率,43,刀具几何参数,锋利强度减小切削热、粘结、摩擦大前角（1120）切屑变形、切削力、切削热、加工硬化等，但强度减弱大后角（610）摩擦、锋利、切削力、切削热、散热性等主偏角r（4590）散热、切削力,切屑厚度和宽度等刃倾角（020）切屑流向、刀尖强度等刀尖r小些好,但刀尖强度要考虑,44,45,46,47,48,陶瓷刀具,铸造高温合金=0-3，=10-15，变形高温合金=0-10,=10-15立方氮化硼和金刚石刀具变形高温合金=0-8，=8-20,49,刀片优化建议,涂层CVD首选粗加工PVD半精加工、精加工PVD精加工刀片形状正前角刀片降低切削力，切削热粗加工细小刀片产生的小屑不利于散热倒棱刀片,50,51,52,53,54,55,56,合理的切削用量提高加工效率,57,金属切除率(cm3/min)Q=Vcapfn(车削）Q=apaeVcVf/1000(铣削）Q=VcfnD2/4000(钻削）,58,速度不宜过高,由于高温合金的强度高、粘性大,切削中更容易在切削区产生和积聚热量，加之导热性差，在大切除量的切削时，如果切削速度过高，有引起刀具和工件烧伤的危险。这就是切削高温合金零件，一定不能选择高切削速度的原因。从目前市面上的刀具来看，钛合金的切削速度根据切削情况一般在30m/min80m/min之间，镍基合金也在250m/min之内，很难实现再高速加工。,59,切削速度,切削速度高的切削速度可以避开如SS.这样材料的积屑瘤区增加切削速度可使温度上升通过逐步减少切削速度达到低温或采用冷却支持,60,切削速度Vc,高速钢刀具：铸造高温合金Vc=3-8m/min，变形高温合金Vc=5-12m/min硬质合金刀具：铸造高温合金Vc=8-15m/min变形高温合金Vc=30-70m/min氮化硅陶瓷刀具：Vc=100-200m/min立方氮化硼刀具：Vc=60-200m/min金刚石刀具：（钛合金）Vc=100-200m/min,61,尝试较大的切深,可以通过加大切深的办法来提高加工效率，而不是一味追求高的切削速度。,62,每齿进给量宜适中,高温合金切削温度高，同时存在加工硬化的问题。每齿进给量过大，则切削力过大而导致崩刃或是切削温度过高而烧刀；而每齿进给量过小，则因刀刃始终在加工硬化层中工作而磨损过快。每齿进给量0.1mm-0.5mm是比较适中的的进给参数（精车和铣加工,工艺系统刚性不好时取小值，粗车加工,工艺系统刚性好时可取大值）,63,加工Inconel718(GH169)例,硬质合金刀具Vc=25m/min,ap=3.4mm,fn=0.23mm/r氮化硅陶瓷刀具Vc=172m/min,ap=10mm,fn=0.18mm/r21倍铣削硬质合金刀具Vc=38m/min,ap=4mm,fn=0.3mm/r氮化硅陶瓷刀具Vc=248m/min,ap=4-5mm,fn=0.3mm/r,64,更多的切削刃,Vf=Znfz在线速度和每齿进给量均很难增加的情况下，使用更多切削刃的刀具，以提高加工效率。不过一定要考虑主轴功率、机床刚性、刀具刚性以及刀具排屑问题。,65,注意要素,不要采用过低的进给量（切屑厚度）大前角，小的倒棱或圆角（刀刃强度）进给量必须大于倒棱宽度不要采用不必要的精加工不要使用非常小的刀片，因为硬质合金热传导性很好，大尺寸可以更好的散热。,66,进给速度范围,进给速度Inconel_加大进给得到好的刀具寿命,67,进给速度范围,进给速度Titanium降低进给量可提高刀具寿命进给量大于倒棱宽度,68,精加工优化建议,精加工加工余量，每齿进给量都不能太低.提高速度保证加工区域低温度大刀盘小余量加工作业，可提高生产率而不影响到刀具寿命,69,小结,切削速度精加工增加切速增加散热恒定的不太小的进给预防加工硬化大流量的冷却液热稳定性改变主偏角（选择基体强大的圆刀片，也能有效地减少边解磨损）,70,小结,绝大数加工情况下采用冷却液最小的水含量，油量非常重要30%中心冷却取代外冷，空气冷却钛合金加工必须采用切削液，否则可能会燃烧，钛元素氧化用锋刃加工厚刀片有利于散热,71,加工方案对加工效率的影响,72,HubTransmission-FormerMachiningProcess,Operation1,Operation2,4Tools,Totalmachiningtime:62sec.,3Tools,Totalmachiningtime:46sec.,73,Solution,Operation1:Tool1:HFHL25-65-6T20Insert:GRIP6005YIC908Tool2:GHIL25-25-6Insert:GIPI5.00E-0.50IC908Totalcuttingtime=47sec,Operation2:Tool:HFHL-65-6T20Insert:HFPL6005YIC908Totaltime=32sec,Operation1,Operation2,74,75,76,切削方式对加工效率的影响车削-连续铣削-断续车铣削插铣,77,车-铣组合加工方式,刀具圆锥楔形,车削时,工件旋转,刀具也绕其轴线旋转并沿工件轴线走刀.旋转刀具切削改善了刀具散热条件,78,EnlargementofGOLDJETToolingSystem-ThenewBOREJETprocess,79,7,CuttingArea(mm)BOREJETStrategy,CuttingArea(mm)ConventionalRoughing,80,插铣,在3轴或4轴专用铣床上插铣加工涡轮叶片：从涡轮叶片顶部向下一直插铣刀其根部，通过X-Y平面的简单平移即可加工出复杂的表面形状。,81,孔的精加工,孔的精镗加工：连续切削方式等高线间断切削方式螺纹孔加工：螺旋插补切削方式,82,尽量采用顺铣,对顺铣而言，刀齿一开始切入就碰到硬皮而容易导致刀具破损。但由于逆铣切屑是由薄到厚，在最初切入时刀具易与工件发生干摩擦，加重了刀具的粘屑和崩刃，就高温合金而言，后一矛盾显得更为突出,83,注意要素,切削排屑情况切屑从刀尖90方向出屑从被加工材料上方切入最好是顺铣尽量避免温升冷却液（应对准切点）良好的切屑形状（最小0.10mm厚)排掉切削热_多次走刀切深不要一样,84,槽铣与侧铣优化建议,粗铣槽轴向进刀是解决Inconel铣槽作业的好方法。仿形粗