鋁活塞加工刀具材料的合理選用?

　　【中國幕墻網 10月09日 記者小靜】刀具材料性能的優劣是影響加工表面質量、切削加工效率、刀具壽命的基本因素。切削加工時，直接擔負切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好壞大多取決于構成刀具切削部分的材料、切削部分的幾何參數及刀具結構的選擇和設計是否合理。切削加工生產率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質量的優劣等等，在很大程度上都取決于刀具材料的合理選擇。正確選擇刀具材料是設計和選用刀具的重要內容之一。
　　每一品種刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適用于一定的工件材料和切削速度范圍。不同的刀具材料和同種刀具加工不同的工件材料時刀具壽命往往存在很大的差別，例如：加工鋁活塞時，金剛石刀具的壽命是YG類硬質合金刀具壽命的幾倍到幾十倍；YG類硬質合金刀具加工含硅量高、中、低的鋁合金時其壽命也有很大的差別。所以，合理選用刀具是成功進行切削加工的關鍵。每一種刀具材料都有其最佳的加工對象，即存在切削刀具與加工對象的合理匹配問題。

　　1 刀具材料應具備的性能

　　1.1 高的硬度和耐磨性
　　硬度是刀具材料應具備的基本特性。刀具要從工件上切下切屑，其硬度必須比工件材料的硬度大。切削金屬所用刀具的切削刃硬度，一般都在60HRC以上。耐磨性是材料抵抗磨損的能力。一般來說，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。組織中的硬質點(碳化物、氮化物等)的硬度越高，數量越多，顆粒越小，分布越均勻，則耐磨性越好。耐磨性還與材料的化學成分、強度、顯微組織及摩擦區的溫度有關。可用公式表示材料的耐磨性WR：WR=KIC0.5E-0.8H1.43式中：H——材料硬度(GPa)。硬度愈高，耐磨性愈好。
　　KIC——材料的斷裂韌性(MPa·m½)。KIC愈大，則材料受應力引起的斷裂愈小，耐磨性愈好。
　　E——材料的彈性模量(GPa)。E很小時，由于磨粒引起的顯微應變，有助于產生較低的應力，耐磨性提高。

　　1.2 足夠的強度和韌性
　　要使刀具在承受很大壓力，以及在切削過程經常出現的沖擊和振動條件下工作，而不產生崩刃和折斷，刀具材料就必須具有足夠的強度和韌性。

　　1.3 高的耐熱性(熱穩定性)
　　耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要標志。它是指刀具材料在高溫條件下保持一定的硬度、耐磨性、強度和韌性的性能。
　　刀具材料還應具有在高溫下抗氧化的能力以及良好的抗粘結和抗擴散的能力，即刀具材料應具有良好的化學穩定性。1.4 良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能
　　刀具材料的導熱性愈好，切削熱愈容易從切削區散走，有利于降低切削溫度。
　　刀具在斷續切削或使用切削液時，常常受到很大的熱沖擊(溫度變化劇烈)，因而刀具內部會產生裂紋而導致斷裂。刀具材料抵抗熱沖擊的能力可用耐熱沖擊系數R表示，R的定義是為：

　　R=λσb(1-µ)/Eα
　　式中：λ——導熱系數；
　　σb——抗拉強度；
　　µ——泊松比；
　　E——彈性模量；
　　α——熱膨脹系數。
　　導熱系數大，使熱量容易散走，降低刀具表面的溫度梯度；熱膨脹系數小，可減少熱變形；彈性模量小，可以降低因熱變形而產生的交變應力的幅度；有利于材料耐熱沖擊性能的提高。
　　耐熱沖擊性能好的刀具材料，在切削加工時可以使用切削液。

　　1.5 良好的工藝性能
　　為了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的工藝性能，如鍛造性能、熱處理性能、高溫塑性變形性能、磨削加工性能等。

　　1.6 經濟性
　　經濟性是刀具材料的重要指標之一，優質刀具材料雖然單件刀具成本很高，但因其使用壽命長，分攤到每個零件的成本則不一定很高。因此在選用刀具材料時要綜合考慮其經濟效果。

　　2 刀具材料

　　2.1 高速鋼
　　高速鋼是一種加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的強度和韌性，并且具有一定的硬度和耐磨性。適合各類刀具的要求。高速鋼刀具制造工藝簡單，容易磨成鋒利切削刃，因此盡管各種新型刀具材料不斷出現，高速鋼刀具在金屬切削中仍占較大的比例。可以加工有色金屬和高溫合金。由于高速鋼具有以上性能，活塞加工中的銑澆冒口、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀、鉆油孔用鉆頭等刀具都為高速鋼材料。
　　2.2 硬質合金
　　硬質合金是由難熔金屬碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金屬粘結劑(如Co、Ni等)粉末經粉末冶金的方法制成。
　　由于硬質合金中都含有大量的金屬碳化物，這些碳化物都有熔點高、硬度高、化學穩定好、熱穩定性好等特點，因此，硬質合金材料的硬度、耐磨性、耐熱性都很高。常用硬質合金的硬度為89～93HRA，比高速鋼的硬度(83～86.6HRA)高，在800～1000℃時尚能進行切削。在540℃時，硬質合金的硬度為82～87HRA，在760℃時，硬度仍能保持77～85HRA。因此，硬質合金的切削性能比高速鋼高得多，刀具耐用度可提高幾倍到幾十倍，在耐用度相同時，切削速度可提高4～10倍。
　　目前我公司使用的硬質合金刀具主要是YG類(WC-TiC-Co)中的YG6和YGX。YT類(WC-TiC-Co)中的YT15等硬質合金用于活塞粗加工、半精加工和部分精加工工序。

　　2.3 金剛石
　　金剛石是目前已知礦物材料中硬度最高、熱傳導性最好的物質，與各種金屬、非金屬材料配對摩擦的磨損量僅為硬質合金的1/50～1/800，是制作切削刀具最理想的材料。然而，天然單晶金剛石僅用于制作首飾及某些有色金屬的超精密加工。刀具用人造大顆粒單晶金剛石盡管目前De Beers公司、住友電工等均已工業化生產，但還沒有進入大量應用階段。
　　金剛石刀具的切削刃非常鋒利(這對切下極小斷面的切屑是很重要的)，刃部粗糙度很小，摩擦系數又低，切削時不易產生積屑瘤，加工表面質量高。加工有色金屬時，表面粗糙度可達到Ra0.012µm，加工精度可達到IT5級以上。
　　金剛石刀具有三種：天然單晶金剛石刀具、整體人造聚晶金剛石刀具、金剛石復合刀具。天然金剛石刀具由于成本較高等原因，在實際生產中應用較少。人造金剛石是通過合金觸媒的作用，在高溫高壓下由石墨轉化而成。金剛石復合刀片是在硬質合金基體上經過高溫、高壓等先進工藝燒結一層約0.5～1µm厚的金剛石，這種材料是以硬質合金做基體，其機械性能、熱傳導性和膨脹系數都近似于硬質合金，基體上的人造多晶金剛石磨料中的金剛石晶體呈不規則排列，其硬度和耐磨性在各個方向都是均勻的。
　　聚晶金剛石(簡稱PCD)是由經過篩選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結而成。在燒結過程中，由于添加劑的加入，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等為主要成分的結合橋。金剛石晶體以共價鍵的結合形成牢固地嵌于結構橋構成的堅強骨架中，使PCD的強度和韌性都大大提高，其硬度約為9000HV，抗彎強度為O.21～0.48GPa，導熱系數為20.9J/cm·sµ℃，熱膨脹系數為3.1×10-6/℃。現在使用的聚晶金剛石刀具大多是PCD與硬質合金基體燒結形成的復合體，即在硬質合金基體上燒結上一層PCD。PCD的厚度一般為0.5mm和0.8mm，由于底層為硬質合金，焊接方便；又由于PCD結合橋的導電性，使得PCD便于切割加工成各種形狀，制成各種刀具，成本遠遠低于天然金剛石。
　　聚晶金剛石(PCD)可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金，硬質合金，纖維增強塑料，金屬基復合材料，木材復合材料等。PCD刀具材料中金剛石晶粒平均尺寸不同，對性能產生的影響也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，則刃口質量越好。選用晶粒尺寸為10～25µm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的硅鋁合金，晶粒尺寸8～9µm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金。超精密加工，則應選用晶粒尺寸小的PCD刀具。PCD的耐磨性在超過700℃時會減弱，因其結構中含有金屬Co，會促進“逆向反應”即由金剛石向石墨轉變。PCD有較好的斷裂韌性，可以進行斷續切削，可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。
　　可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩定性和高表面光潔度加工。在切削加工有色金屬時，PCD刀具的壽命是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具。例如：精車活塞環槽、精鏜活塞銷孔、精車活塞外圓、精車活塞頂面等工序。

　　2.4 立方氮化硼
　　聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉與少量粘結相(Co，Ni或TiC、TiN、Al203)在高溫高壓下加入催化劑燒結而成的。它具有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)，優良的化學穩定性、比金剛石刀具高得多的熱穩定性(達1400℃)和導熱性，低的摩擦系數，但其強度較低。與金剛石相比，PCBN的突出優點是熱穩定性高得多，可達1200℃(金剛石為700～800℃)，可承受較高的切削速度；另一個突出優點是化學惰性大，與鐵族金屬在1200～1300℃下也不起化學反應，可用于加工鋼鐵。因此，PCBN刀具主要用于高效加工黑色難加工材料。
　　PCBN刀具除了具有以上的特點外，還有以下幾項優點：①硬度高，特別適合于加工從前只能磨削的HRC50以上的淬硬鋼、HRC35以上的耐熱合金和HRC30以下而其它刀具很難加工的灰口鑄鐵。②與硬質合金刀具相比，切削速度高，可實現高速高效切削。③耐磨性好，刀具耐用度高(為硬質合金刀具的10～100倍)，能獲得較好的工件表面質量，實現以車代磨。不足之處在于PCBN刀具的抗沖擊性能較硬質合金差，因此，使用時應注意提高工藝系統的剛性，盡量避免沖擊切削。
　　PCBN可制成整體的刀片，也可與硬質合金結合制成復合刀片。PCBN復合刀片是在硬質合金基體上燒結一層0.5～1.0mm厚的PCBN，其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性。
　　PCBN的性能主要與CBN的粒度、CBN的含量及結合劑種類有關，按其組織大致可分為兩大類：一類是由CBN晶粒直接結合而成，CBN含量高(70%以上)，硬度高，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工；另一類是以CBN晶粒為主體，通過陶瓷結合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al203等)燒結而成，這類PCBN中CBN含量低(70%以下)，硬度低，適用于切削加工淬硬鋼。
　　在我公司，立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環活塞的車削鑄鐵環槽工序中，同時也應用于活塞立體靠模的加工中。

　　2.5 陶瓷
　　陶瓷刀具材料的主要優點是：
　　有很高的硬度與耐磨性，常溫硬度達91～95HRC；
　　有很高的耐熱性，在1200℃高溫下硬度為80HRC；而且高溫條件下抗彎強度、韌性降低極少；
　　有很高的化學穩定性，陶瓷與金屬親合力小，高溫抗氧化性能好，即使在熔化溫度下也不與鋼相互作用。因而刀具的粘結、擴散、氧化磨損較少；
　　有較低的摩擦系數，切屑不易粘刀，不易產生積屑瘤。

　　陶瓷刀的缺點是：
　　脆性大，強度與韌性低，抗彎強度只有硬質合金的1/2～1/5，因此使用時必須選擇合適的幾何參數與切削用量；避免承受沖擊負荷，以防崩刃與破損；此外，陶瓷刀導熱率低，僅為硬質合金的1/2～1/5，熱膨脹系數卻比硬質合金高10～30%，抗熱沖擊性較差。
　　目前，陶瓷刀具還沒有應用于鋁活塞加工過程中。

　　3 小結
　　刀具材料的發展對切削技術的進步起著決定性的作用。本文介紹了切削中所使用的金剛石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、硬質合金、高速鋼等刀具材料的性能及適用范圍。刀具損壞機理是刀具材料合理選用的理論基礎，刀具材料與工件材料的性能匹配合理是切削刀具材料選擇的關鍵依據，要根據刀具材料與工件材料的力學、物理和化學性能選擇刀具材料，才能獲得良好的切削效果。就活塞在切削加工時的刀具材料選用作了闡述。
　　高速鋼：活塞加工中銑澆冒口、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀，鉆油孔用鉆頭等都為高速鋼材料。
　　硬質合金：YG、YD系列硬質合金刀具被廣泛應用于鋁活塞加工的各個工序中，特別是活塞粗加工和半精加工工序。
　　立方氮化硼：立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環活塞的車削鑄鐵環槽工序中。同時也應用于活塞立體靠模的加工中。
　　金剛石：金剛石刀具可利用金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高導熱性及低摩擦系數實現有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率、高穩定性和高表面光潔度加工。在切削鋁合金時，PCD刀具的壽命是硬質合金刀具的幾十倍甚至幾百倍，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具，已經應用于精車活塞環槽、精鏜活塞銷孔、精車活塞外圓、精車活塞頂面及精車活塞燃燒室等精加工工序中。【完】