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  [組圖]全陶瓷銑刀的安全使用          【字體:
全陶瓷銑刀的安全使用
作者:liven    專題來源:切削技術網    點擊數:6038    更新時間:2011-3-14    
對全陶瓷銑刀的研發開啟了鎳基合金材料加工的美好前景。與硬金屬刀具相比,全陶瓷刀具的加工效率可以提高八倍。

在標準行程和單位時間的切削體積方面,對市場上常見的涂層和無涂層硬金屬刀具與所研發的陶瓷刀具的對比結果表明,采用全陶瓷銑刀的生產效率可以提高八倍
材料科學領域的技術進步和繼續發展不斷促進對高難度工件加工的能力和效率。采用鎳基合金材料可以極大提高汽輪機的整體效用。由鎳基合金材料構成的單晶汽輪機斗輪配備有一個復雜的冷卻槽與陶瓷隔熱層系統,它將在高達1450℃的溫度條件下投入使用。這種獨特的機械和耐熱性能卻向機械加工提出了極大的要求。僅在加工一件噴氣推進裝置上,就需耗用大約3000件轉位刀片,相對而言,對一輛轎車的制造,則平均卻只需耗用兩件轉位刀片。

實現更高的切削速度

鎳基合金材料的耐熱性高、導熱性差,因此可造成切削表面的溫度很高。這會促使切削材料變軟。由于在其微結構中含有易磨損的碳化物,在溫度和機械過負荷的情況下,刀具往往容易失靈。經涂層的硬金屬刀具只在20m/min以下的切削速度作業時,工作穩定。各種試驗表明,通過采用陶瓷材料切削,切削速度有望提高30~50倍。關鍵性的因素是陶瓷具有優越的耐熱性能。因此,可以在切削流程中,把溫度提升到足夠高,使工件材料變軟,變得容易被切削。由此可以跨入到高速切削(HSC)技術領域。與采用陶瓷材料的轉位刀片相匹配的銑刀在市場上已有供應,這種刀具還可用在汽輪機斗輪的粗加工上。但是,出于設計方面的原因,刀具的最小規格仍有所限制。目前商用最小刀具的直徑為32mm。針對要求更小刀具直徑或復雜的切削輪廓面的加工任務,除了采用硬金屬刀具和HSS刀具之外,還可以采取研磨工藝和線切割工藝。
把現代陶瓷切削材料的切割能力引用到這些應用場合上來,已成為位于柏林的Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik(IPK)研究機構的研究重點。早在2006年,第一批陶瓷銑刀試驗樣品在Fraunhofer-Allianz高效陶瓷公司的“Cercut”項目中問世。這些刀具在試驗性應用中獲得了成功。鑒于刀具制造廠商和用戶予以的積極反響,聯合機構將繼續向前推進業已展開的研發工作。

推進全陶瓷刀具的研發

在2008年1月,“制造全陶瓷帶柄刀具工藝(Tech-Volk)”項目啟動。此后,項目小組全力以赴地投入到對切削外形與應用場合相適應的全陶瓷銑刀的研發工作中。由于項目中的各合作單位都有各自不同的優勢和工作重心,因此,整個工藝流程環節可以得到通盤的考慮。從陶瓷坯料的生產、磨削策略應用和磨削刀具的加工,直至現代化HSC加工中心對具體工件的切削應用,工件材料的品種范圍涵蓋了鎳基鍛造合金(如Nimonic 90)和鑄造合金(如MAR M247)等。
為了能夠適應復雜的HSC銑削工藝的負荷狀況,切削材料必須要滿足一些特殊的要求。切削過程中斷可導致刀刃邊緣很高的負荷變換和溫度波動。在一定的時間間隔中,刀刃可能不處于切入狀態,此時刀刃的表面溫度會比心層內部的溫度更容易冷卻下來。由于存在熱膨脹狀態差異,在刀具邊緣區域會形成拉應力,從而很容易致使裂紋產生。陶瓷對拉應力更為敏感,因此,面對這種機理,陶瓷顯得尤為脆弱。對于這種切削材料來說,采用干式加工變得非常必要,因為冷卻潤滑將會加劇刀具的冷卻效果,對刀具的使用狀態將造成額外的負面影響。采用經碳化硅觸須強化的Al2O3和SiAlON,其內部成分和結構就決定了此類材料具有阻止裂紋生成、提高斷裂韌性的特點。這兩種切削陶瓷材料作為轉位刀片,已經被投放到市場上,并在使用中表現良好。
給人希望的后續發展主要是指所謂的分級陶瓷的生產。對此,通過后續加工,可以有針對性地改變這種材料的強度特性。如同鋼材通過淬火處理一樣,對陶瓷也可以制成耐磨性強的邊緣部位和不易斷裂的心層區域。
在全陶瓷研發過程之前,即對這兩種陶瓷材料作為轉位刀片的使用特性,進行了分析。其間,對材料的耐磨特性也進行了研究和評價。通過在工件上進行力學測定并結合FEM模擬試驗,可以實現對刀具設計的詳細分析。從實際試驗中所獲得的認知與數字測定的負荷極限相輔相成。由此,可以識別出那些不利于陶瓷強度特性的負荷狀況。同時,也考慮到了不同刀具形狀所具有的不同的自振動特性。通過對刀具和工藝流程的有針對性的設定,不僅可以極大降低刀具的磨損程度,提高使用壽命,而且也極大改善了工件表面的幾何形狀質量。
對于一家研究結構來說,很關鍵的一點便是它擁有得天獨厚的好條件,即在自家的高精密磨床上制造刀具,隨后也在刀具測量設備上測量刀具,并在動力性強的HSC加工中心上對刀具進行測試。由此可以達到很短的研發周期和對工藝流程的深度認知。

圖1 硬金屬刀具與全陶瓷刀具在銑削MAR M247鎳基合金上的對比

切削速度可達600m/min且工藝穩定

以往的銑刀直徑為4~8mm。其外形輪廓適合于端面加工和圓周加工。其間在雙刃外形的基礎上,也對最多擁有十刃的精細刀具進行了研制和測試。最大切削速度可達600m/min,最大進給速度可達10000mm/min,且工藝穩定。為了測定陶瓷刀具的能力和經濟性,對陶瓷刀具和硬金屬刀具進行了對比性試驗。加工任務為銑槽,所選用刀具的直徑為4mm。在標準行程和單位時間的切削體積方面,對市場上常見的涂層和無涂層硬金屬刀具與所研發的陶瓷刀具進行了對比。迄今為止的結果表明,采用全陶瓷銑刀的生產效率可以提高八倍(圖1)。在這里,工藝流程的匹配至關重要。僅僅依靠提高切削速度,并不能獲得真正的成功。研究結果同時也表明,陶瓷刀具的潛力尚未得到充分發揮。

圖2 陶瓷銑刀上粘附切屑材料,加工軌跡數量增多
很高的工藝流程溫度造成切削下的材料粘附在刀具和工件上(圖2)。除了工件材質和切削參數之外,切削材質也是非常重要的。目前正在探索有效避免切屑粘附的技術工藝。另一個工作重點在于對磨削加工對刀具邊緣質量和表面質量的影響的研究。此外,通過流體研磨工序,促使刀具變得圓潤和平滑。可以實現對刀片邊緣和表面特征的有針對性的調整。在項目的后續執行中,除了繼續研發刀具的幾何外形、優化刀具生產之外,特別要把刀具的使用和普及列為重中之重。
專題錄入:liven    責任編輯:liven 
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