車削鋼材料在機(jī)械零件中的應(yīng)用

       機(jī)械零件絕大多數(shù)是由碳素及合金結(jié)構(gòu)鋼制成，車削這類材料時，多形成帶狀切屑。為從毛坯上切除切屑，刀片需承受巨大的負(fù)荷，被切除的切屑從刀片前刀面飛速地滑出，它在與刀片的相對運(yùn)動中，產(chǎn)生劇烈的摩擦面形成高溫，故刀片材料不但要耐磨，而且要耐高溫，在高溫下保持硬度。所以切削此類材料應(yīng)選用含TiC+TaC比例較多的P類硬質(zhì)合金。當(dāng)今為提高切削效益；切削速度；進(jìn)給速度愈來愈高，P類硬質(zhì)合金刀片不能勝任。在上世紀(jì)中葉，人們開發(fā)了在P類硬質(zhì)刀片上再沉積一層高硬度的膜，稱之為涂層（coating）。涂層厚度僅約為刀片厚度的0.2%，就可以大大地提高刀片壽命，且能適應(yīng)更高的切削速度。這幾十年來涂層技術(shù)也在不斷地發(fā)展，如由單層發(fā)展到多層甚至納米多層；厚度也由幾μm增至十幾μm，甚至更多，涂層材料種類性能及沉積技術(shù)也越來越先進(jìn)；作為基體材料的硬質(zhì)合金也由單一各向同性發(fā)展到適應(yīng)加工要求的具傾斜性能的結(jié)構(gòu)等。
        針對這最大數(shù)量材料的切削加工要求，三菱公司經(jīng)多年研發(fā)，成功地推出了新的UE系列刀片材料。

圖1：車削鋼用的UE系列刀具材料

        圖1簡潔地表示了UE系列的組成，各牌號以及他們的選用概念圖。圖中縱坐標(biāo)可表切深（背吃刀量），橫坐標(biāo)表進(jìn)給量。在坐標(biāo)原點(diǎn)處可見一帶缺口的圓，表示沿45度線附近的各切深與進(jìn)給量的切削條件，在進(jìn)行輕微斷續(xù)切削時，推薦選用的UE系列刀具的具體牌號，同時可選出相應(yīng)的斷屑槽。如當(dāng)切深與進(jìn)給較小時，可選用UE6010與SH斷屑槽，若切深與進(jìn)給量大致沿45度線向上增大，表示了切屑截面積逐漸增大，切削負(fù)荷逐漸增大時，依次可選用UE6010材料與MV和GH斷屑槽，當(dāng)切削面積更大時，可選用UE6020材料與Hx斷屑槽。工件上若沒有鍵槽，缺口等時，此時的切削稱為連續(xù)切削，若加工余量也均勻，不是切削工件的表層，而是切削其內(nèi)層，另外若工件的安裝剛性較高，不易產(chǎn)生振動，此時切削力大致恒定時，以上條件下的切削屬于穩(wěn)定的切削范圍，見圖1的左上方。在此范圍內(nèi)的切削，隨切深與進(jìn)給量的增大，可分別選擇UE6005材料與SH、MV、GH斷屑槽，當(dāng)切深和進(jìn)給量更大時可選擇UE6010材料和Hx斷屑槽。圖1的右下方有一個帶四個缺口的圓，形象地表示工件上缺口多加工時形成更強(qiáng)烈的斷續(xù)切削。加工余量不均，非工件內(nèi)層切削而是硬度高且不均一的表皮的切削或是工件的安裝剛性差易振動時的切削，都屬不穩(wěn)定的切削范圍，此時主要可選用UE6020材料，隨切深與進(jìn)給量的增大可同前選擇相應(yīng)的斷屑槽。不穩(wěn)定條件更加嚴(yán)重時則應(yīng)選用UE6035及相應(yīng)的斷屑槽。為什么這樣選擇呢？因UE系列，這四種材料如圖1分別相當(dāng)于ISO國際標(biāo)準(zhǔn)從P01到P40的不同等級，以上的號碼越小表硬度越高，愈耐磨，愈可適應(yīng)更高的切削速度，號碼越大表韌性越高，愈耐沖擊，但適應(yīng)的切削速度相對較低，這從圖1 下右推薦切削條件也可以看出。
        在說明UE系列特點(diǎn)前，先簡要說明一下使刀具失效的損傷問題。當(dāng)今刀具材料的硬質(zhì)合金，金屬陶瓷，陶瓷，CBN（鈁氮化硼），PCD（人造聚晶金剛石）等燒結(jié)材料為主，高速鋼的使用率已經(jīng)下降了。燒結(jié)材料的損傷形態(tài)與高速鋼一樣有磨損（Wear），磨損是一種漸進(jìn)損傷與切削時間、切削長度相關(guān)。因?yàn)槭菬Y(jié)材料又有自己的特性即硬而脆，韌性不足，在切削過程中會因切削力，切削熱的變動造成瞬間與低循環(huán)沖擊，而形成脆性損傷（Brittle Fracture ），這種損傷表現(xiàn)為（1）在刀刃上出現(xiàn)一些小缺口稱缺損或微崩（Chipping）。（2）嚴(yán)重時產(chǎn)生大缺口稱破損或崩刀（Broken Fracture）。刀刃上出現(xiàn)微小缺口，即缺損時，不能再用做精加工，但在某些情況下可繼續(xù)做粗加工用。（3）另外在加工中，部分切屑粘結(jié)（Adhesion）熔結(jié)（Welding）在刀刃附近。一般的粘結(jié)、熔結(jié)磨損是零件，非燒結(jié)刀具損傷原因之一，對燒結(jié)工具材料來講有可能產(chǎn)生粘結(jié)，熔結(jié)磨損，但更主要的是與刀具表面牢固結(jié)合在一起的切屑粘結(jié)，熔結(jié)物，積屑瘤在被后續(xù)的加工沖擊后，強(qiáng)行使它與刀具表面分離，在這過程中，分離的同時將刀具部分材料也一起帶走造成了粘結(jié)，熔結(jié)缺損與破損，故在現(xiàn)場加工中應(yīng)盡量避免切屑的粘結(jié)熔結(jié)。當(dāng)然它們還影響加工表面質(zhì)量。（４）燒結(jié)材料導(dǎo)熱差易產(chǎn)生熱裂紋等損傷。
        三菱公司UE系列涂層材料正是為良好地抵抗以上這些主要刀具損傷、保證高效長壽命加工而開發(fā)出來的。UE系列這四種涂層均用CVD（化學(xué)氣相沉積法）制成，此法膜層可制得較厚，耐磨，耐高溫，可適應(yīng)高速大進(jìn)給，大切深切削。UE系列四涂層以UE6010、UE6020應(yīng)用得最廣。最具通用性、典型性。圖2為UE6010和UE6020組織結(jié)構(gòu)圖片。

圖2：車削鋼用的UE系列刀具材料

        由圖1可知，在45度線上，作為第一推薦是UE6010，因?yàn)樗扔邢喈?dāng)高的硬度很耐磨又有相當(dāng)?shù)捻g性可適應(yīng)一定的斷續(xù)切削與沖擊，它的基體硬質(zhì)合金是傾斜結(jié)構(gòu)，即各層性能功能是不同的，與涂層結(jié)合的最上層韌性大，保證涂層能牢固地與它結(jié)合，耐缺損和破損，基體硬質(zhì)合金芯部則做得堅(jiān)硬，抗變形能力強(qiáng)。涂層共分三層，與基體結(jié)合的最內(nèi)層是TiCN纖維柱狀結(jié)晶，次層硬度高也有相當(dāng)?shù)捻g性，能很好地抵抗前后刀面磨損。
        中間一層是晶粒微細(xì)的Al2O3，它的硬度可達(dá)HY2100，其生成自由能值達(dá)－100Kcal/g.atom此值代表化學(xué)穩(wěn)定性，值愈小化學(xué)穩(wěn)定性愈好，耐熱性越好，有此層在高速切削時，難以產(chǎn)生刀具與工件材料分子互相擴(kuò)散，致使帶狀切屑的流動在前刀面造成的月牙洼磨損，此層在高溫條件下對鐵的熔解度幾乎為零，使鐵屑不易熔結(jié)在它表面，從而也避免因此造成的各種損傷。它是由獨(dú)特的平滑涂層技術(shù)（even coating technology）涂上，表面特別光滑，在此基礎(chǔ)上表面再涂上一層特殊鈦化合物，此層保持平滑，使摩擦系數(shù)降低，進(jìn)一步減少鐵屑的粘結(jié)熔結(jié)。由于它是金黃色，較易發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生的微小損傷。在推薦選用UE6010時，還特別推薦了適合切削條件廣泛的MV斷屑槽，這二者絕妙的結(jié)合，更增加其通用性。UE6020各層結(jié)構(gòu)與性能特性與基體硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)特性UE6010大致相同。但其膜層較?。▓D2）硬度比UE6010低，耐磨性較差，適應(yīng)的切削速度也較低但在推薦的切削速度范圍（圖1）下仍可保持相當(dāng)高的耐磨性。它的抗彎強(qiáng)度、韌性及耐沖擊力則高于 UE6010，適合不穩(wěn)定切削范圍內(nèi)的切削。在沖擊載荷作用下，厚膜可能裂傷失效，膜層可信度下降，厚層更耐沖擊可信度高。
        針對UE6010與UE6020的使用條件，如在連續(xù)切削，很穩(wěn)定的切削條件，則可進(jìn)一步選用硬度更高更耐磨的UE6005，此時沖擊載荷很小甚至沒有，就可按推薦更高切削速度易實(shí)現(xiàn)更高效的切削。相反若斷續(xù)切削，沖擊載荷更大時，則可選用比UE6020韌性更高，抗彎強(qiáng)度更大的UE6035，在推薦的切削速度下工作，雖然速度下降了（圖1），但避免了刀具缺損，破損，使刀具使用壽命延長，避免了頻繁更換刀片，縮短了輔助時間，同樣提高了切削效率。