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一般γ0=-10°~0°
浏览: 发布日期:2019-03-07

  淬火钢是指金属经过淬火后,组织为马氏体,硬度大于HRC50的钢。它在难切削材料中占有相当大的比重。

  加工淬火钢的传统方法是磨削。但为了提高加工效率,解决工件形状复杂而不能磨削和淬火后产生形状和位置误差的问题,往往就需要采用车削、铣削、镗削、钻削和铰削等切削加工方法。淬火钢在切削时有以下特点:

  (1)硬度高、强度高,几乎没有塑性:这是淬火钢的主要切削特点。当淬火钢的硬度达到HRC50~60时,其强度可达σb=2100~2600MPa,按照被加工材料加工性分级规定,淬火钢的硬度和强度均为9a级,属于最难切削的材料。

  (2)切削力大、切削温度高:要从高硬度和高强度的工件上切下切屑,其单位切削力可达4500MPa。为了改善切削条件,增大散热面积,刀具选择较小的主偏角和副偏角。这时会引起振动,要求要有较好的工艺系统刚性。

  (3)不易产生积屑瘤:淬火钢的硬度高、脆性大,切削时不易产生积屑瘤,被加工表面可以获得较低的表面粗糙度。

  (4)刀刃易崩碎、磨损:由于淬火钢的脆性大,切削时切屑与刀刃接触短,切削力和切削热集中在刀具刃口附近,易使刀刃崩碎和磨损。

  (5)导热系数低:一般淬火钢的导热系数为7.12W/(mK),约为45号钢的1/7。材料的切削加工性等级是9a级,属于很难切削的材料。由于淬火钢的导热系数低,切削热很难通过切屑带走,切削温度很高,加快了刀具磨损。

  合理选择刀具材料,是切削加工淬火钢的重要条件。根据淬火钢的切削特点,刀具材料不仅要有高的硬度、耐磨性、耐热性,而且要有一定的强度和导热性。

  (1)硬质合金:为了改善硬质合金的性能,在选择硬质合金时,应优先选择加入适量TaC或NbC的超细微粒的硬质合金。因为在WC-Co类硬质合金中,加入TaC以后,可将其原来的800℃高温强度提高150~300MPa,常温硬度提高HV40~100。加入NbC以后,高温强度提高150~300MPa,常温硬度提高HV70~150。而且TaC和NbC可以细化晶粒,提高硬质合金抗月牙洼磨损的能力。TaC还可以降低摩擦系数,降低切削温度,增强硬质合金抗热裂和热塑性变形的能力,同时也将WC的晶粒细化到0.5~1μm,其硬度提高HRA1.5~2,抗弯强度可提高600~800MPa,高温硬度比一般硬质合金高。

  (2)热压复合陶瓷和热压氮化硅陶瓷:在Al2O3中加入TiC等金属元素并采用热压工艺,改善了陶瓷的致密性,提高了氧化铝基陶瓷的性能,使它的硬度提高到HRA95.5,抗弯强度可达到800~1200MPa,耐热性可达1200℃~1300℃,在使用中可减少粘结和扩散磨损。其主要牌号有AG2、AG3、AG4、LT35、LT55、AT6等。氮化硅基陶瓷是在Si3N4中加入TiC等金属元素,其硬度为HRA93~94,抗弯强度为700~1100MPa。其主要牌号有HS73、HS80、F85、ST4、TP4、SM、HDM1、HDM2、HDM3。这两种陶瓷适用于车、铣、镗、刨削淬火钢。

  (3)立方氮化硼复合片(PCBN)刀具:它的硬度为HV8000~9000,复合抗弯强度为900~1300MPa,导热性比较高,耐热性为1400℃~1500℃,是刀具材料中最高的。它十分适合于淬火钢的半精加工和精加工。

  综上所述,切削淬火钢最好的刀具材料是立方氮化硼,其次是复合陶瓷,再其次是新牌号硬质合金。

  切削淬火钢时,光有好的刀具材料,而没有合理的刀具几何参数,也不能达到满意的效果。所以要根据具体的刀具材料、工件材料和切削条件,合理地选择刀具几何参数,才能有效地发挥刀具材料应有的切削性能。

  (1)前角:前角的大小对切削淬火钢影响很大。由于淬火钢的硬度、强度高,切削力大,而且集中在刀具刃口附近。为了避免崩刃和打刀,前角应选零度和负值,一般γ0=-10°~0°。工件材料硬度高、断续切削时,应选较大的负前角,γ0=-10°~-30°。如果采用正前角可转位刀片时,应磨出bγ=0.5~1mm宽,γ01=-5°~-15°较大的负倒棱,以增强刀刃强度。

  (2)后角:切削淬火钢刀具的后角应比一般刀具的后角大一些,以减小后刀面的摩擦,一般α0=8°~10°为好。

  (3)主偏角和副偏角:为了增强刀尖强度和改善散热条件,主偏角κr=30°~60°,副偏角κ’r=6°~15°。

  (4)刃倾角:刃倾角为负值时,可以增大刀尖强度。但负值太大时,会使Fp力增大,在工艺系统刚性差时,引起振动。所以在一般情况下,λs=-5°~0°;断续切削时,λs=-10°~-20°;硬齿面刮削滚刀,它的刃倾角λs=-30°。

  (5)刀尖圆弧半径:它的大小影响刀尖强度和已加工表面粗糙度。因工艺系统刚性的影响,刀尖圆弧半径γε=0.5~2mm为宜。

  切削淬火钢刀具,在合理选好几何参数的基础上,必须经过仔细刃磨和研鐾,提高刀具各表面的刃磨质量,使刀具耐用度得到提高。

  切削加工淬火钢的切削用量,主要根据刀具材料、工件材料的物理力学性能、工件形状、工艺系统刚性和加工余量来选择。在选择切削用量三要素时,首先考虑选择合理的切削速度,其次是切削深度,再其次是进给量。

  (1)切削速度:一般的淬火钢耐热性在200℃~600℃,而硬质合金的耐热性为800℃~1000℃,陶瓷刀具的耐热性为1100℃~1200℃,立方氮化硼的耐热性为1400℃~1500℃。除高速钢外,一般淬火钢达到400℃左右时,它的硬度开始下降,而上述刀具材料仍保持它原有的硬度。所以在切削淬火钢时,充分利用上述这一特性,切削速度不宜选择太低或太高,以保持刀具有一定的耐用度。从目前的经验来看,不同的刀具材料切削淬火钢的切削速度,硬质合金刀具Vc=30~75m/min;陶瓷刀具Vc=60~120m/min;立方氮化硼刀具Vc=100~200m/min。在断续切削和工件材料硬度太高时,应降低切削速度,一般约为上面最低切削速度的1/2。在连续切削时的最佳切削速度,以切下的切屑呈暗红色为宜。

  (2)切削深度:一般根据加工余量和工艺系统刚性选择,一般情况下,αp=0.1~3mm。

  (3)进给量:一般为0.05~0.4mm/r。在工件材料硬度高或断续切削时,为了减小单位切削力,应当减小进给量,以防崩刃和打刀。

  采用陶瓷刀具材料切削淬火钢,比用硬质合金切削淬火钢,有其显著的效果。这主要表现在陶瓷刀具的硬度和耐热性高于硬质合金。用它来制造的车刀、铣刀、螺纹刀具,均可成功地切削淬火钢,其耐用度均高于YT05、643、YM052等硬质合金。

  (1)充分发挥陶瓷刀具材料硬度和耐热性比硬质合金高这一特点,选择的切削速度应高于硬质合金切削淬火钢的切削速度,一般高50%。如在切削速度50m/min时,陶瓷刀具的后刀面磨损量与硬质合金接近。当切削速度增至95m/min时,它的耐磨性远远高于YT05等硬质合金。如用陶瓷刀片作成的三面刃铣刀,以102m/min的切削速度铣完深5.2mm、宽16mm、长700mm的淬火钢键槽,刀具基本上无磨损。

  (2)陶瓷刀具在切削中受冲击载荷时,刀具应选择小的主偏角、大的刀尖圆弧或采用圆形刀片,以增加刀尖强度,避免刀具损坏。如采用圆形陶瓷刀片作成的机夹端铣刀,铣削淬火钢,Vc=120~150m/min,Vf=230~290mm/min,αp=1~2mm。

  (3)应采用负前角和负刃倾角,以利于增加刀刃和刀尖强度。刀刃和刀面的粗糙度Ra要小于0.4μm。

  (4)切削时一般不用切削液,若要用,要自始至终充分供给,否则刀片会因热胀冷缩而产生裂纹。

  (5)陶瓷刀具的抗弯强度低于硬质合金的抗弯强度,为了减小刀具单位面积受力,切削时进给量要小一些,一般为f=0.08~0.15mm/r。

  立方氮化硼刀具(CBN)不仅是制造磨具的好材料,而且它容易修磨(可用金刚石磨轮刃磨),也是用于制造车刀、镗刀、铣刀、枪钻、铰刀、齿轮刀具等的好材料。CBN主要用来切削各种淬火钢,也可用来切削其他难切削材料。它不仅有很高的金属切除率,而且有很好的表面加工质量。切削各种淬火钢可以有效地代替磨削,减少加工工序,提高生产率。现在市场上所销售的CBN刀片,大都以它与硬质合金复合片的形式,作成可转位刀片或刀具,其目的就是提高CBN刀片的抗弯强度。

  由于CBN刀具的硬度高(HV8000~9000),耐热性高(1400℃~1500℃),在使用时能允许以高于硬质合金几倍的切削速度切削淬火钢,而耐用度是硬度合金的几倍到几十倍。切削淬火钢时CBN刀具与硬质合金刀具对比。

  国内生产CBN刀片的厂家有成都工具研究所,生产的牌号为LDP—J;第六砂轮厂生产的DLS—F1、DLS—F2、DLS—F3。还有不少厂家生产CBN可转位刀片和焊接刀。LDP—J和DLS—F1主要用于切削各种淬火钢。DLS—F2主要用于切削各种铸铁。DLS—F3主要用于切削高温合金和钛合金。

  CBN刀具不适于低速切削,CBN刀具靠切削时所产生的切削热,在切削区微小的范围内软化工件材料来切削的。

  在切削硬度为HRC55~65的材料时,CBN刀具的切削速度应在50~120m/min。铣削时的Vc=100~160m/min,每分钟进给量Vf=70~160mm/min;铰削时Vc=60~130m/min,ap=0.1~0.2mm,f=0.07~0.2mm/r。CBN刀具主要用于淬火钢的半精加工和精加工。其加工表面不会像磨削那样产生烧伤现象,效率比磨削高十倍左右。

  CBN刀具切削淬火钢时的几何参数是γ0=-15°~-5°,α0=α’0=10°~15°,κr=30°~60°,κ’r=5°~15°,λs=0°~10°,γε=0.3~1mm。

  (1)在数控机床上切削复杂的表面和几个复杂的表面,代替磨削工序,可以减少1/3~2/3的劳动量,而且能保证很高的位置精度。

  (2)形状复杂的内孔或小孔。如采用磨削,要求砂轮的形状也相应复杂,有的时候无法磨削,这时采用车削最为有利。

  (3)一个零件几个表面(外圆、内孔、端面、阶台、沟槽)都需磨削,这时采用车削,一道工序即可完成,可减去磨削用的工装。

  (4)零件淬火后易变形和留余量小时易造成废品,这时可留余量大一些,待淬火后,再用CBN刀具切除多余余量,再磨削,以减少因变形大而产生的废品。

  (5)在加工载荷变动量很大的,困难条件下使用的表面高频零件,采用CBN刀具加工,工件表面组织和物理力学性能较磨削时好,可以延长零件的使用寿命。

  淬火后滚丝轮的螺纹,一般都采用螺纹磨床磨削。但为了提高加工效率和解决没有螺纹磨的困难,也可采用车削的方法加工。

  (2)机床与刀具:机床是大连生产的8955型290mm铲齿车床,机床附件为分度盘。刀具分粗车刀和精车刀,刀具材质为YM052硬质合金。刀具几何参数为:γ。=-3,α。=5,α'=0~2,εr=6020',λs=-5,前刀面向螺旋方向倾斜3。各角度在工具磨磨好后,用金刚石油石鐾研,并在主、副刀刃和刀尖处鐾出负倒棱。

  (3)切削用量:切削速度26.2m/min,粗车螺纹aP=0.1~0.15mm,精车aP=0.05~0.08mm。在车削中,每走一次刀,分一次头,以保证每齿均匀地去除余量。

  (4)注意事项:为了防止切入切出时刀尖崩刀,在螺纹的两端各倒30角。为了准确地控制每次吃刀深度,在横向进刀放一百分表。

  用丝锥攻螺纹时,稍微不慎或攻难切削材料的螺纹,往往把丝锥扭断在孔中,不易取出,使工件成为废品。为了减少废品,采用电火花把断在孔中的丝锥打掉或用硬质合金钻头钻掉。采用硬质合金钻的办法简单,工人易掌握。

  (1)刀具:用硬质合金圆棒,磨成如图2-1所示的四棱钻,材质为YG6X或YM052、813等。钻头直径应大于丝锥心部直径。

  (2)操作注意事项:在校正好钻头和孔的位置后,要把钻头和工件固定好。断在螺孔中的丝锥头部不平整,开始钻时一定要慢,以免伤了螺孔和把孔钻歪。钻时的切削速度为20~25m/min,要随时观察钻削的情况,及时清除丝锥的碎块和切屑,直到把断在孔中的丝锥钻掉。

  这里所说的硬材料是指热处理后,其硬度为HRC38~42的材料,或在零件表面经过渗碳、氰化、镀铬后,有一层硬化层的表面。在这样硬的材料或表面上钻孔,十分困难,有时只能在表面上钻出一个小坑,钻头就发出吱吱叫声,出现严重磨损。这时在没有硬质合金钻头的情况下,可采用改变了几何参数的高速钢钻头,也能成功地钻削上述硬材料。钻硬材料群钻参数见图2-2。

  为了增加刀刃强度,改善散热条件,采用了减小前角、加大圆弧槽半径和外缘刃的刀尖角的办法。钻头的几何参数如图2-2所示。钻孔时应选较短的钻头,以增强钻头的刚性。工件刚性不足时要增加辅助支承。钻削用量一般选取νc=2~5m/min,进给量f=0.03~0.05mm/r或手动进给。切削液应选用切削油或极压切削油。

  高速钢是淬火钢中有特殊用途的钢种。立方氮化硼磨轮特别适用于磨削高速钢。由刚玉砂轮磨削高速钢,特别是磨高钒高速钢时,磨削力大,磨削温度高,易发生烧伤,磨粒磨损快,易堵塞,易脱粒,磨削困难。如用立方氮化硼磨轮磨削W18Cr4V、W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V5SiNbA1、W6Mo5Cr4V5Co3SiNbA1、W10Mo4Cr4V3A1等5种高速钢的试棒时,累计磨去17mm,磨轮仍然很锋利。又如用镀铜的立方氮化硼磨粒的磨轮,磨削W6Mo5Cr4V5SiNbA1高速钢拉刀,可磨150个刀齿,而用白刚玉砂轮一个刀齿也磨不动,单晶刚玉加微晶刚玉砂轮只能磨出7~8个刀齿。

  立方氮化硼磨轮磨削高速钢有很高的耐用度。它的磨损量是单晶刚玉的1/64,是绿色碳化硅的1/104,是白刚玉的1/99。

  立方氮化硼磨轮磨削高速钢有很高的磨削比。用它磨削高钒高速钢(W12Cr4V5Co)的磨削比为140,而刚玉类砂轮是10,金刚石磨轮是16。用它磨削超硬高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)的磨削比为660,而刚玉砂轮是10,金刚石磨轮是18。用它磨削钨钼高速钢(W6Mo5Cr4V2)的磨削比为980,刚玉类砂轮为10,金刚石磨轮的磨削比为20。

  立方氮化硼磨轮磨削高速钢时可以避免烧伤。当用刚玉砂轮磨削高速钢时,很快就磨损,如不及时修整,就会出现烧伤,影响磨削质量。而立方氮化硼磨轮,直到磨耗完也不需要修整,也不会出现烧伤。

  立方氮化硼磨轮有很高的切削能力,单位磨削功率比刚玉砂轮小2/3~5/6。

  淬火钢的切削,是难切削材料最有代表性的一种。以前人们认为它硬度高,只能磨削。现在由于切削技术的进步,以车削、铣削、刨削和钻削代替磨削也习以为常了。

  (1)车冷镦轴承滚子模具顶杆,材质为合金工具钢Crl2MoV,淬火后硬度为HRC62~66。由于工件细长,怕淬火,变形大,留了2mm的余量,给磨削带来困难,改为车削。采用LT55的陶瓷车刀,刀具几何参数是:γ。=-8,α。=8,κr=75,κ'r=15,γε=0.5mm。切削用量是:νc=35m/min,aP=0.3~0.5mm,f=0.1~0.2mm/r。刀具耐用度为25min,表面粗糙度为Ra=3.2~1.6μm。

  (4)钻铰淬火钢小孔,工件材质为GCrl5,淬火后的硬度为HRC58~60。钻孔直径为声ψ4(+0.03,0)mm,深为10mm。此孔是产品改进后加钻的。钻头和铰刀的材质为YG6X硬质合金,钻头形式为非标准麻花钻,铰刀为双刃铰刀,采用钻铰两道工序,使用的机床是台式钻床。切削速度为νc=15.5m/min,手动进给。刃磨一次钻头可钻100多个孔,铰孔200个以上,质量完全符合工艺要求。

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