難加工材料與合理有效使用熱熔鉆加工

目前，各種難加工材料如淬硬鋼、超硬燒結金屬、耐熱超級合金、雙金屬材料等已日益廣泛地應用于工業零件的制造。雖然用此類材料制造的零件可獲得優異的使用性能，但同時也帶來了一個難題：如何以合理的每件加工成本實現零件的最終成形加工。值得慶幸的是，如今刀具供應商已成功開發出了各種用于銑削、車削加工難加工材料的新型切削刀片，如涂層硬質合金刀片、金屬陶瓷刀片、CBN刀片、PCD刀片等。這些新型材料刀片采用了特殊的幾何形狀和表面涂層，具有優異的耐磨損性能，并可承受加工過程中的機械沖擊和熱沖擊。但是，如何在生產中合理、有效地使用這些切削刀片，還需要與掌握專業知識的熱熔鉆生產刀具供應商密切配合。
由于切削刀片的成本相對較低(一般硬質合金刀片的成本僅占加工總成本的3%，CBN刀片占加工總成本的5%～6%)，因此，為節約加工成本而一味選用較便宜的刀片實際上可能并不劃算。新型材料刀片雖然價格較貴，但可以縮短加工時間，延長刀具壽命，提高產品質量，因此可能具有更好的經濟性。
另一方面，脫離實際加工需要而盲目選用新型材料刀片，也可能增大加工成本(CBN刀片的價格可達硬質合金刀片的8～10倍)。此外，使用新型材料刀片時，如采用不正確的切削速度和進給率，也會影響工件加工質量和刀具使用壽命。因此，選用難加工材料切削刀片時需要正確評估加工的經濟性和綜合考慮整個加工工藝過程。
加工經濟性的綜合權衡
    選擇切削刀片時，需要對整個加工任務進行評估。在可以滿足工件尺寸精度和表面光潔度要求，并考慮了加工時間和刀片更換的前提下，選用價格相對較低的硬質合金刀片可以實現較好的加工經濟性。通過準確了解和綜合權衡生產批量、加工時間和刀片性能，就能合理選用切削刀片，達到提高生產率的加工效果。
    以銑削加工材質為燒結碳化鈦的燃氣渦輪機葉片為例，當工件批量較小時，選用涂層硬質合金刀片也可獲得較好的加工效果。在35m/min的切削速度下，硬質合金刀片的切削刃壽命僅為5～10分鐘，而大批量加工難加工材料工件的合理刀片壽命一般要求達到15～30分鐘。在小批量加工中，較短的刀片壽命和較頻繁的更換刀片對生產率的影響并不明顯；但在大批量滿負荷加工中，較長的刀片壽命對于減少換刀輔助時間、降低勞動強度、提高機床利用率和生產能力則具有至關重要的意義。因此，當渦輪機葉片的加工批量較大時，選用硬度更高、價格較貴的CBN刀片可能更為合理。
為了充分發揮先進材料刀片的切削性能，還需要選用正確的熱熔鉆使用進給率和切削速度。以Sandvik Coromant公司的CBN刀片為例，該刀片的切削刃經過了強化和鈍化處理，在切削硬度＞50HRC的工件材料時可有效避免崩刃現象。盡管CBN刀片韌性極佳，但對切削參數的選取仍十分嚴格，如所選切削速度高于或低于理想值的10%，則可能大大降低刀片的切削性能。
為了實施難加工材料的切削加工，可考慮向專業刀具供應商尋求技術支持，比如，株洲熱鉆公司就是專業生產熱熔鉆頭廠家。刀具供應商可基于其它相同的加工實例提供合理的解決方案。在需要進行切削試驗時，通常可采用試錯(trial-and-error)方式，即首先用硬質合金刀片進行切削，然后換用新型材料刀片進行對比切削，比較不同刀片的加工效果。采用先進的刀片形狀、高剛性刀柄和優化加工程序，通常可使價格較低的硬質合金刀片適合于難加工材料的切削。是否需要換用新型材料刀片，則應根據具體的加工任務及加工條件而定。對于同一大類的難加工材料，通常在切削刀片的選用上具有一定共性。

淬硬鋼的切削加工
    目前，許多合金鋼工件對硬度的要求越來越高。過去，工具鋼的應用硬度通常為45HRC，而現在模具工業使用的工具鋼已普遍要求淬硬到63HRC。為了避免熱處理變形，需要對一些過去只能在熱處理之前進行切削加工的模具實施完全淬硬狀態下的精密銑削加工。在銑削完全淬硬鋼時，產生的切削熱和切削壓力可能引起切削刀片的塑性變形并使刀片迅速失效。如銑削硬度為60HRC的淬硬鋼(材料中的碳化物顆粒硬度可達90HRC)時，普通的涂層硬質合金刀片將發生后刀面快速磨損。
銑削硬度為60HRC的淬硬鋼(材料中的碳化物顆粒硬度可達90HRC)時，普通的涂層硬質合金刀片將發生后刀面快速磨損
    雖然淬硬鋼不易切削，但采用硬質合金刀片仍可實現對完全淬硬鋼工件的經濟性加工。以航空零部件的加工為例，某大型飛機制造企業用Sandvik公司的GC1025硬質合金刀片替換原來使用的金屬陶瓷刀片后，成功完成了對材料為淬硬的3000M鋼(4340變質處理)的大尺寸鍛件的二次孔加工。被加工孔的大部分加工余量已在熱處理之前(材料硬度30～32HRC)切除，但為了修正熱處理變形，這種大尺寸工件上的精密孔必須在工件完全淬硬后(硬度達54～55HRC)進行二次切削加工。由于被加工孔位于工件深處，特殊的工件形貌使加工相當困難，因此需要經過三次走刀切削才能達到要求的尺寸精度和表面光潔度。高硬度的材料加上斷續切削方式，使原來使用的金屬陶瓷刀片還未完成一次走刀其切削刃即崩損失效，而崩壞的刀片可能造成工件報廢的危險。換用經PVD涂層的細顆粒硬質合金刀片后，刀具的韌性和鋒銳性顯著提高，可以順利完成6～9次走刀切削。換用硬質合金刀片后，刀具供應商推薦將切削速度從原來的90m/min降低到53m/min，但切削深度保持不變。切削速度降低后，硬質合金刀片完成對孔的三次走刀切削需時約20分鐘，而原來使用金屬陶瓷刀具加工則需要一個多小時。更為重要的是增強了硬質合金刀片切削刃的安全性，大大減少了因刀具崩刃導致昂貴工件報廢的危險。
    為了獲得硬質合金熱熔鉆銑削淬硬鋼的合理切削參數，可進行刀具切削熱熔鉆工藝試驗。試切時，切削速度的選取通常可從30m/min起，直至增加到45～55m/min；進給率通常為0.075～0.1mm/每齒。一般來說，采用零前角或小負前角的刀片形狀比采用正前角的刀片形狀強度更高。加工淬硬鋼時，采用圓形硬質合金刀片也較為有利，因為圓形刀片強度較高，且外形圓鈍的切削刃不易發生破損。
選擇硬質合金刀片牌號時，可考慮選用高韌性牌號。此類牌號刀片的切削刃安全性較好，可承受切削淬硬鋼時較大的徑向切削力和劇烈的切入、切出沖擊。此外，特殊設計的高溫硬質合金牌號可以承受切削淬硬鋼(HRC60)時產生的大量切削熱。帶氧化鋁涂層的抗沖擊硬質合金刀片也能抗擊銑削淬硬鋼時產生的高溫。
粉末合金的切削加工
    隨著粉末冶金技術的不斷發展，應用于不同領域的各種超硬燒結金屬(粉末合金)材料層出不窮。如某制造商開發了一種包含碳化鎢(WC)或碳化鈦(TiC)顆粒的復合型粉末鎳合金，其硬度達到53～60HRC，鎳合金基體中的碳化物顆粒硬度可達90HRC。銑削加工這種材料時，涂層硬質合金刀片很快會發生后刀面磨損，主切削刃被磨損為扁平狀；材料微觀結構中存在的超硬顆粒會引起“微振顫”，導致刀片加速磨損；切削工件時產生的剪切應力還可能造成硬質合金刀片碎裂。
采用CBN刀片則可較好解決含碳化鎢和碳化鈦顆粒的硬質粉末合金材料的切削加工問題。改進的刀片幾何形狀可以有效克服“微振顫”現象。某用戶銑削加工復合型粉末合金工件時發現，新型CBN刀片的加工壽命比最好的硬質合金刀片提高了2000倍以上。切削試驗表明，用安裝了5個CBN刀片的面銑刀切削加工硬質粉末合金材料(切削速度60m/min，進給率0.18mm/每刃)，其加工效率可比放電加工(線切割)提高75%。
為了充分發揮CBN刀片的最佳性能，必須將切削參數嚴格控制在合理范圍內。雖然50m/min左右的切削速度和0.1～0.15mm/每齒的進給率顯得并不高，但在加工粉末合金材料時卻能獲得很高的生產率。通過30～60秒鐘的試切，可以準確地確定最佳切削參數。試切時，可從低速切削開始，逐漸增大切削速度，直至刀片切削刃出現過度磨損為止。
    加工難加工材料時，為了使刀片切削刃溫度保持恒定，一般應采用干式切削。在大多數情況下，具有雙負角幾何形狀的圓形刀具加工效果最好，且切削深度通常應控制在1～2mm。
    銑削屬于斷續切削。加工時，硬度達60HRC或更高的工件材料對刀具持續不斷的沖擊將造成巨大的加工應力。因此，為了在銑削加工中提供足夠高的抗沖擊能力，要求加工機床和工具系統必須具有最高的剛性、最小的懸伸長度和最大的強度。
耐熱超級合金的切削加工
    為航空航天工業開發的耐熱超級合金(HRSAs)現在正越來越廣泛地應用于汽車、醫療、半導體、發電設備等行業。除了常見的耐熱超級合金牌號(如Inconel 718/625、Waspalloy、6A14V鈦合金等)以外，現在又開發出了多種新型鈦基合金和鋁/鎂基合金牌號。所有的耐熱超級合金均屬于難加工材料范疇。
超級合金的硬度很高，某些鈦合金牌號的加工硬度達到330HB。對于普通合金而言，當切削區溫度高于1100℃時，材料中的分子結合鏈就會發生軟化，并出現有利于成屑的流動區。反之，耐熱超級合金優良的抗高溫性能使其在切削加工全過程中均保持高硬度。
耐熱超級合金被切削時還具有冷作硬化傾向，很容易造成切削刀片過早崩刃失效。切削時，工件的被切表面會生成耐磨的冷硬鱗屑層，使刀片切削刃快速磨損。
加工淬硬鋼時，采用圓形硬質合金刀片也較為有利，因為圓形強度較高，切削刃不易發生破損
鑒于超級合金的難加工特性，加工時通常采用較低的切削速度。例如，用Sandvik GC2040牌號硬質合金刀片銑削超級合金Inconel 718材質剎車鍵的切削速度為60m/min；用Sandvik 7020 CBN刀片對Inconel 718進行外圓/端面車削的切削速度為80m/min。與此對比，用未涂層硬質合金刀片切削工具鋼的切削速度一般可達120～240m/min。切削超級合金時的進給量通常與切削工具鋼的進給量相當。
    加工超級合金時，切削刀片的選擇主要取決于被加工材料和工件類型。為了提高加工效率，加工薄壁工件時可選用具有正前角切削刃的硬質合金刀片，而加工厚壁工件時則需要選用具有負前角切削刃的陶瓷刀片，以增強刀片切削時的“耕犁”作用。對于大多數難加工材料，應首選干式切削，以保持刀片切削刃溫度恒定。但在加工鈦合金時，即使切削速度很低，也必須使用冷卻液。
    由于耐熱超級合金在切削過程中始終保持高硬度，因此會加速切削刀片端部倒圓的磨損。采用切削刃圓鈍的圓形刀片可大大提高切削刃的強度，但超級合金的冷作硬化傾向會導致片崩刃現象加劇。通過在連續多次走刀時改變切削深度，可使刀片避開工件表面形成的冷作硬化層，從而減少刀片崩刃，延長切削刃的工作壽命。一次走刀的切深變化量可為7.6mm，后序切削的切深變化量可為3.2mm和2.5mm。
雙金屬材料的切削加工
    雙金屬材料的構成是將較硬的材料置于選定的易磨損部位，然后在周圍環繞(或混合)其它較軟的合金材料。雙金屬材料在汽車工業及其它行業的應用越來越廣泛，同時也帶來了特殊的加工難題。CBN刀片可以高效切削硬度大于50HRC的硬合金，但在切削雙金屬材料中的軟合金時卻可能發生碎裂。PCD刀片能夠切削加工耐磨鋁合金，但在切削鐵族金屬材料時則容易發生過度磨損。
為了實現雙金屬材料的高效加工，需要用戶、刀具供應商和機床制造商共同開發精確的切削加工程序。例如，某種雙金屬材料是將高硬度的復合型粉末合金通過熱均衡壓制工藝嵌入價格便宜的316不銹鋼基體中制成。加工時，需要編制螺旋插補刀軌程序并輸入機床控制系統，以優化的進給量和切削速度首先加工粉末合金材料部位，然后再加工基體部分。
    為了高效加工由鋁合金和鑄鐵氣缸墊組合構成的雙金屬氣缸體，汽車制造商必須同時克服鋁合金的耐磨性和鑄鐵的高硬度。由于較硬的鑄鐵氣缸墊(易磨損部位)與較軟的鋁合金缸體難以隔離，因此不宜采用分別加工方式。但是，通過合理編制機床加工程序，采用極低的切削速度和極小的切削深度，可使耐磨損PCD刀片能夠同時加工鋁合金和鑄鐵兩種材料，從而避免了在加工過程中頻繁換刀。