專利名稱:超硬、難加工材料切削刀具及刃磨和使用方法
本發(fā)明涉及一種改進的陶瓷刀具和它的刃磨與使用方法，特別是一種能勝任多種超硬、難加工材料坯件拔荒粗加工、工件半精加工與精加工的機械夾固或粘接鑲齒切削刀具和它的刃磨與使用方法。
高純氧化鋁陶瓷或氧化鋁基復合陶瓷(Al2O3+15～30%TiC)刀具的缺點如“切削刀具材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢”(Herbert S.Kalish”Status ReportCutting Tool Materials”＜Metal Progress＞No.11/1983)一文所述主要是性脆。因此盡管它具有不少優(yōu)點，但由于氧化鋁基陶瓷刀具的抗沖擊能力差、易崩刃，故它在刀具材料構(gòu)成比中被限制在1～5%的范圍內(nèi)。冷壓或熱壓燒結(jié)制得的Sialon(Si3N4-Al2O3)陶瓷如“氮化硅為灰鑄鐵加工提供高切削效率”(“Silicon nitride inserts offer high cutting rates for cost iror＜Cutting Tool Engineering＞Vol.35/1983/No.1-2)一文所述，它不適于鋼件加工，也很少用于有色金屬件加工。在硬鐵金屬，如冷硬鑄鐵、淬硬鋼，和鎳基合金等難加工材料加工中要求具有優(yōu)良韌性、高的硬度與高溫強度、在高溫與高應力作用下具備高耐磨性的切削刀具(日本專利No 82145079、No 84146983、No 8469475，美國專利US-4388085、US-4286905，歐州專利No 95129)，特別是具有超高速切削、高材料切除率加工、高度與光潔度加工和超硬、難加工材料坯件的拔荒粗切削能力的刀具。
本發(fā)明的任務是提供一種由氮化硅(Si3N4)基韌性復合陶瓷刀片制作的改進刀具及其刃磨與使用方法，使它能勝任多種超硬、難加工材料的粗、精切削加工，擴大機床的工藝能力，實現(xiàn)高速、超高速切削、高切除率加工或高精度、高光潔度加工，特別是能勝任多種淬硬鋼、硬鑄鐵坯件的拔荒粗切削。
本發(fā)明是通過下述幾方面來完成的將熱壓、熱等靜壓或氣壓與無壓燒結(jié)制取的Si3N4基韌性復合陶瓷制成規(guī)定的幾何形狀，經(jīng)刃磨、研拋或修整后裝入改進的刀齒槽，在最佳切削條件下進行加工就能實現(xiàn)高速、超高速切削、高材料切除率加工、高精度與光潔度加工，特別是多種硬鐵金屬坯件的拔荒粗加工。本發(fā)明的使用應當遵循以下詳述的實施細則本發(fā)明刀具所采用的刀片材料為高耐磨性的Si3N4基韌性復合陶瓷，其配方按重量比計可為TiC2～30%、TiN0.3～5%、Co0～9%、MgO 0～10%、Y2O30～10%、Al2O30～5%、AlN 0～5%和高純微細α-Si3N4100%。
刀片可直接壓制成形或切割成形，刀片的幾何形狀可為(13×13)～(40×40)mm×mm矩形，(5～15)×(10～80)mm×mm長方形，(9.53×3.2×0.4)～(15.88×6.35×12)mm的三角形，外徑φ15～80mm、內(nèi)徑φ6～30mm的自回轉(zhuǎn)式刀片，φ10～60mm的圓形，刀片厚度為3～15mm(圖1)。刀片安裝在刀體(桿)上的切削角度為前角(γ)5°～-14°、后角(α)2°～8°、刃傾角(λ)0°～-14°、主偏角(ψ)15°～75°、付偏角(ψ1)0°～30°、刀刃負倒棱(-γ″×a)(-4°～-30°)×(0.1～0.5mm)、刀尖圓弧半徑R≤0.3mm(圖3)。在大進給量或高光潔度精加工時R值可大于0.3mm。要求斷屑時可在前刀面距刀尖1～3mm處磨出(1.5×1.5)～(3×3)mm臺階形或半徑r＝1.5～3mm的洼圓弧斷屑槽(圖5)。
安裝刀片的刀體(桿)(圖2)用不淬硬經(jīng)退火或調(diào)質(zhì)處理的優(yōu)質(zhì)中碳鋼制作，其牌號可為35?！?5＃，軟質(zhì)的刀片槽在刀片壓緊時可避免受損。本發(fā)明采用的鑲齒刀結(jié)構(gòu)的特點在于刀片槽底部和側(cè)面定位面是按刀具實際要求的γ、α、λ和ψ角銑出，與刀體(桿)基面呈δ1、δ2和ε角(圖4)。δ1角取決于付刀刃的γ′和α′角，δ2角決定于γ、αλ角，經(jīng)常取∠δ1＝∠-γ′＝∠α，∠δ2＝∠-γ＝∠α＝∠-λ，ε角決定于ψ角。刀片壓板應修圓壓緊端頭以防止偏壓或出現(xiàn)干涉，壓緊點應在近刀尖一側(cè)。
刀片用人造金剛石砂輪在工具磨床或?qū)Ｓ玫毒吣ゴ采线M行刃磨，砂輪規(guī)格可為80?！?80＃粒度、75～100%濃度、樹脂結(jié)合劑(S)的碗形(BW)或平形(P)。用金剛石研磨膏加機油在平板研具上研拋刀刃面，研磨膏粒度可為W5～W14，研磨劑用10?！?0＃機油，研具材料可為高磷鑄鐵，Ⅰ、Ⅱ級灰鑄鐵。用金剛石油石可代替金剛石研磨膏在現(xiàn)場對粗加工、半精加工用刀片進行現(xiàn)場研拋和修整，其規(guī)格為6%濃度、W10～W14粒度，使用時應蘸少許機油。
金剛石砂輪刃磨刀片時，磨削用量可為砂輪線速度V＝1400～1800m/min、縱向進給用手動慢速進給、橫向進給量0.01～0.03mm/dst(粗磨時)或≤0.01mm/dst(精磨時)，終磨前應作2～5次不進刀光磨。金剛石砂輪用鈍后可用金剛石研磨膏加機油在研具上修研去除鈍的金剛石砂粒。
本發(fā)明的切削刀具，其切削用量范圍可為加工硬度Hs50～80的硬鑄鐵件時，切削速度V＝20～75m/min、進給量f＝0.1～2.6mm/r、切削深度a＝0.2～5mm，硬度為Hs＞80的超硬鑄鐵件時V＝10～40m/min、f＝0.1～1.2mm/r、a＝0.1～3mm，硬度為HRC40～59的淬硬鋼時V＝30～95m/min、f＝0.043～0.45mm/r、a＝0.1～3mm，硬度為HRC60～68的淬硬鋼時V＝20～60m/min、f＝0.043～0.35mm/r、a＝0.1～2mm，硬度HB≤300的普通灰鑄鐵、半可鍛鑄鐵、鎳合金鑄鐵等件時V＝150～1500m/min、f＝0.1～2.6mm/r、a＝0.1～5mm，加工鎳基合金時V＝18～110m/min、f＝0.1～0.45mm/r、a＝0.2～2mm。最佳切削用量應按加工工件材質(zhì)、硬度和加工要求在上述范圍內(nèi)擇優(yōu)。在加工淬硬鋼和鑄鐵件時不使用冷卻潤滑液，切削鎳基和鈦基合金或超硬鑄鐵件時可使用冷卻潤滑液。冷卻潤滑液的供應必須做到連續(xù)、充分和準確，冷卻潤滑劑可為5～15%乳化液或水溶性切削液、其流量不小于4.5～6lit/min，以保證切削區(qū)受到充足、不間斷地冷卻。切削試驗證實，正確地冷卻潤滑可使刀具后刀面平均磨損值VB減少6/7。
本發(fā)明的切削刀具及其刃磨與使用方法已經(jīng)過大量切削試驗和生產(chǎn)現(xiàn)場試驗與應用考驗，取得良好的效果。在各種淬硬鋼(HRC≤68)，各種硬鑄鐵-冷硬鑄鐵(Hs≤90)、白口鑄鐵和高硬合金耐磨鑄鐵(HRC 62～64)等，鎳基合金、硬鎳噴涂層和鎳合金鑄鐵，有色金屬及其合金，熱解石墨、玻璃絲層壓復合材料，聚苯砜醚等新型工程塑料的加工中，本發(fā)明的Si3N4基韌性復合陶瓷刀的壽命是Al2O3復合陶瓷刀、Al2O3-ZrO2陶瓷刀，硬質(zhì)合金Hl、YG6X、YG3、YG8N和YT14等刀的3～113倍，材料切除率則是它們的2～23倍。它可完成光潔度為
7、加工錐度≤0.01mm/500mm的硬鐵金屬件精車或精銑加工，也可完成45＃
7～
9的精車削及Hs≤82的鑄造坯件拔荒粗車削。它可在車、銑、刨、鉆、挑扣、切槽和鏜孔等工序中使用，實現(xiàn)“以車代磨”。
實施例一高速車削Ⅰ級灰口鑄鐵、半可鍛鑄鐵和鎳基噴涂層用本發(fā)明的切削刀具在實驗室已實現(xiàn)切削速度V＝725m/min的Ⅰ級灰口鑄鐵、半可鍛鑄鐵件的高速車削。它的刀具壽命是YG3硬質(zhì)合金刀的11倍。因現(xiàn)有機床轉(zhuǎn)速和工件直徑的限制未能進一步提高切削速度。某廠使用本發(fā)明刀具，在加工硬鎳1＃噴涂層(HRC60～62)時實現(xiàn)了V＝80～110m/min的高速車削，并已能穩(wěn)定地用于生產(chǎn)而不崩刃。
實施例二冷硬鑄鐵軋輥輥面加工用本發(fā)明的Si3N4基韌性復合陶瓷刀在五個廠家對φ(227～770)×(800～3150)mm的冷硬鑄鐵軋(磨)輥(Hs66～90)、無限鑄鐵軋輥等進行現(xiàn)場切削實驗，在鑄造坯件的拔荒粗車、工件的粗車、半精車和精車加工中取得良好的效果。
坯件拔荒粗車和工件粗車采用20×20mm、厚10mm的Si3N4基韌性復合陶瓷刀片，刀片幾何形狀呈圖1的(b)型，工件粗車時也用過(a)型。工件的半精車用圖1的(a)型16×16或20×20mm刀片，厚度為6mm。在3A64磨床、2M7025工具磨床上，用JR120S100BW 100×32.5×20、JR180S100BW100×32.5×20的人造金剛石砂輪進行刃磨，磨削用量為V＝1433m/min、手動走刀、橫向進給～0.02mm/dst，磨至
7～
8表面光潔度，拔荒粗車、粗車與半精車刀片用6%濃度、W14的金剛石油石修研，精車刀片用W5金剛石研磨膏加30＃機油在灰鑄鐵小平板上研磨拋光到前刀面
9，后刀面
10～
11。所使用的刀具幾何角度、刀片槽幾何角度和拔荒粗車、粗車、半精車和精車的切削用量列于表1。工件材質(zhì)、硬度與尺寸和加工效果列于表2。
(表1、表2請見下頁)實施例三車320推土機20Cr滲碳淬火(HRC68)肖套零件用本發(fā)明的刀具在CA6140車床上車削滲硬到HRC68的推土機肖套φ78外圓，采用圖1a型刀片，幾何角度為γ＝-7°、α＝7°、λ＝-7°、ψ＝45°、ψ1＝15°、負倒梭-14°×0.1mm，R＝0.2mm，切削用量為V＝38.2m/min、f＝0.15mm/r、a＝0.25mm、無冷卻潤滑。與YT30硬質(zhì)合金刀對比，其刀具壽命是YT30刀的66倍。
實施例四選擇刀具磨損最小(刀具壽命最長)的最佳切削速度和進給量
被加工件耐磨鎳合金鑄鐵坯料，φ12.5×180mm，材料化學成分為C、2.35～2.94、Ni 14.9～16.0、Cr 1.41～2.16、Si 1.71～2.50、Mn 0.79～0.99、Cu 7.22～7.33、P 0.16～0.30、硬度HB 160～200、離心澆鑄。
為確定該工件加工時使用本發(fā)明的Si3N4基韌性復合陶瓷刀的最佳切削參數(shù)，以刀具后刀面B區(qū)平均磨損值VB達到最小為目標，通過試驗設計和切削試驗確定最優(yōu)的切削速度V0和進給量f0，同時考查V與f的交互作用、判斷V與f的變化對VB的影響。
根據(jù)工件與機床轉(zhuǎn)速級選定V與f兩因素，給定它們的水平，見表3。(表3請見第8頁)
選用L8(41×24)正交試驗表。在CA6140車床上用本發(fā)明刀具(γ-5°、α5°、λ-5°、ψ45°、ψ115°、-10°×0.1mm、R0.1mm)按隨機抽取的試驗順序號進行8次V與f組合的車削試驗。當切削總路程L＝870m固定不變時，測定每次切削后后刀面磨損值VB得
用直觀比較法計算對應于Vi，fj的平均磨損值
υ1＝ 1/2 (0.215+0.2)≈0.21，
f1＝ 1/4 (0.215+0.195υ2＝ 1/2 (0.195+0.2)≈0.20，+0.17+0.185)υ3＝ 1/2 (0.17+0.18)≈0.18，
f2＝ 1/4 (0.2+0.2+υ4＝ 1/2 (0.185+0.195)＝0.19，0.18+0.195)＝0.194由VB的平均值來決定切削速度的優(yōu)值，當取V3＝170m/min時它對應的后刀面磨損值VB最小，故以V3為優(yōu)值。同理f1為優(yōu)值。由于f1與f2時的平均VB值相差很小說明進給量在0.08～0.30mm/r范圍時對VB影響不明顯。因此可以采用V＝170m/min、f＝0.08mm/r(或0.30mm/r)作切削用量。
重復上述試驗一次后按方差分析來考查V與f的交互作用，結(jié)果是這種交互作用不顯著，最佳切削速度與進給量仍為170m/min和0.08
為驗證上述作法是否能確定最佳或相對最佳的V0與f0，再進行按L25(56)表設計的兩因素5個水平，即V(54、97、166、248、407)m/min、f(0.08、0.12、0.16、0.20、0.24)mm/r的正交切削試驗來驗證，且判定V與f交互作用不顯著。在實際應用中采用V0＝166～248m/min，f＝0.08～0.16mm/r作為該坯件與工件粗精加工的最佳切削速度和進給量范圍。
實施例五幾種刀具切削性能的對比將本發(fā)明的刀具與Si3N4-TiC-Co系復合陶瓷刀、T6(Al2O3-TiC)陶瓷刀、Al2O3-ZrO2陶瓷刀(西德)、硬質(zhì)合金726、610和YN10刀，在CA6140車床上車削硬度HRC58～62的CrWMn淬硬工件，φ120×260mm，進行切削性能對比得表6。
實施結(jié)果證明本發(fā)明的Si3N4基韌性復合陶瓷刀在固定切削總路L＝1373m時，它的后刀面平均磨損值最小。在固定后刀面磨損VB＝0.30mm時，它的刀具壽命達210min是Si3N4-TiC-Co陶瓷刀的2.06倍、Al2O3-TiC系陶瓷(T6)刀的7.06倍、726刀的53.8倍、610刀的60倍、YN10刀27.63倍。它的最佳切削速度為V＝58m/min，高于其它刀具。
權(quán)利要求
1.一種切削刀具是由刀片(圖1)和刀體(桿)(圖2)組成，其特征是，刀片材料為氮化硅(Si3N4)基韌性復合陶瓷，被制成矩形，長方形、三角形、圓形或各種規(guī)定的幾何形狀，用機械夾固或粘接方式固定于刀體(桿)上，刀體(桿)采用不淬硬的韌性材料制作并按要求的實際切削角度(圖3)銑出刀片安裝槽(圖4)。
2.按權(quán)項1所述的切削刀具，其特征是刀片材料經(jīng)熱壓、熱等靜壓、氣壓或無壓燒結(jié)制得，其配方按重量比為TiC 2～30%、TiN 0.3～5%、Co 0～9%、MgO 0～10%、Y2O30～10%、Al2O30～5%、AlN 0～5%和高純微細α-Si3N4100%。
3.按權(quán)項1所述的切削刀具，其特征是刀片幾何形狀為(13×13)～(40×40)mm×mm的矩形，(5～15)×(10～80)mm×mm的長方形，(9.53×3.2×0.4)～(15.88×6.35×1.2)mm的三角形，φ10～60mm的圓形，外徑φ15～80mm、內(nèi)徑φ6～30mm的自回轉(zhuǎn)式刀片，刀片厚度3～15mm，刀片安裝在刀體(桿)上的切削角度為前角(γ)5°～-14°、后角(α)2°～8°、刃傾角(λ)0°～-14°、主偏角(ψ)15°～75°、付偏角(ψ1)0°～30°、刀刃負倒棱(-4°～-30°)×(0.1～0.5mm)、刀尖圓弧半徑R≤0.3mm(圖3)，在大進給量或高光潔度精加工時，R值可大于0.3mm，在要求斷屑時可在前刀面距刀尖1～3mm處磨出臺階形或洼圓弧斷屑槽(圖5)。
4.按權(quán)項1、3所述的刀具，其特征是刀體(桿)采用不淬硬經(jīng)退火或調(diào)質(zhì)處理的優(yōu)質(zhì)中碳鋼制作，其牌號為35?！?5＃，刀體(桿)上刀片安裝槽可按γ、α、λ和ψ等幾何角度要求銑成與刀體(桿)基面呈傾斜的定位面(圖4)。
5.一種氮化硅(Si3N4)基韌性復合陶瓷刀片的刃磨方法，其特征是采用人造金剛石磨具、磨料進行刃磨、研拋或修整。
6.按權(quán)項5所述的刀片刃磨方法，其特征是，采用人造金剛石砂輪，其規(guī)格為80～180＃粒度、75～100%濃度、樹脂結(jié)合劑的碗形或平形，用金剛石研磨膏添加機油在鑄鐵等材質(zhì)研具上研磨刀刃面，研磨膏粒度為W5～W14，研磨劑為10～30＃機油，用金剛石油石可代替金剛石研磨膏對粗加工或半精加工用刀片進行現(xiàn)場研拋和修整，其規(guī)格為6%濃度、W10～W14粒度。
7.按權(quán)項5或6所述的刀片刃磨方法，其特征是，磨削用量為金剛石砂輪線速度V＝1400～1800m/min、縱向進給用手動慢速進給、橫向進給量0.01～0.03mm/dst(粗磨時)、或≤0.01mm/dst(精磨時)，終磨前應進行2～5次不進刀光磨，金剛石砂輪用鈍后可用金剛石研磨膏在研具上修研去除圓鈍的金剛石砂粒。
8.按權(quán)項1、5所述的切削刀具使用方法，其特征是切削用量范圍為加工硬度為Hs50～80的硬鑄鐵件時，切削速度V＝20～75m/min、進給量f＝0.1～2.6mm/r、切削深度a＝0.2～5mm，硬度為Hs＞80的超硬鑄鐵件時V＝10～40m/min、f＝0.1～1.2mm/r、a＝0.1～3mm，硬度為HRC40～59的淬硬鋼時V＝30～95m/min、f＝0.043～0.45mm/r、a＝0.1～3.0mm，硬度為HRC60～68的淬硬鋼時V＝20～60m/min、f＝0.043～0.35mm/r、a＝0.1～2mm，硬度HB≤300的普通灰鑄鐵、半可鍛鑄鐵、鎳合金鑄鐵等件時V＝150～1500m/min、f＝0.1～2.6mm/r、a＝0.1～5mm，加工鎳基合金時V＝18～110m/min，f＝0.1～0.45mm/r、a＝0.2～2mm，最佳切削用量應按加工工件材質(zhì)及硬度在上述范圍內(nèi)擇優(yōu)。
9.按權(quán)項8所述的刀具使用方法，其特征是切削淬硬鋼和各種鑄鐵件時不使用冷卻潤滑液，切削鎳基、鈦基合合或超硬鑄鐵件時可使用冷卻潤滑液，冷卻潤滑液的供應必須做到連續(xù)、充分和準確，冷卻潤滑劑為5～15%濃度的乳化液或水溶性切削液，流量為4.5～6lit/min。
專利摘要
一種改進的高耐磨性氮化硅基韌性復合陶瓷切削刀具和它的刃磨與使用方法，能夠適應多種金屬與非金屬材料、工程塑料與復合材料粗精加工，特別是能勝任多種超硬、難加工材料坯件拔荒粗加工與工件半精加工和精加工。高的紅硬性、長的切削壽命和穩(wěn)定的化學性能使這種刀具能實現(xiàn)超高速切削、高材料切除率加工和高的加工精度與表面光潔度加工，并能擴大現(xiàn)有機床的工藝能力獲取良好的經(jīng)濟效益。切削試驗與生產(chǎn)應用證明其切削性能優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具和現(xiàn)有的陶瓷刀具。
文檔編號B23B27/00GK85100128SQ85100128
公開日1986年8月20日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者羅振壁, 苗赫濯, 江作昭, 衷待群, 馬德金 申請人:清華大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan