改进涂层让车削刀片发挥更大效能(二)

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2017-06-08
【摘要】:CVD涂层开始只有单层的TiC,TiN等。后有了双层,甚至多层。之后又出现了包含强韧厚膜,纳米结构的多层等。每层各有其相应的功能。图1是新开发这种先进系列中MC6015涂层结构的剖面图及各层主要功能。

 涂层材料与断屑槽的奇妙组合

  本文先介三菱司新开发的高效率、高稳定性车削钢用的CVD涂层的MC6000系列刀片。其中包括适切硬度较高(相当P10上下)的MC6015涂层;适切中等硬度钢(相当P20上下)通用性好,兼备一定硬度和韧性的MC6025涂层;适切断续表面、韧性高的(相当P30-P40)MC6035涂层刀片。

  CVD涂层开始只有单层的TiC,TiN等。后有了双层,甚至多层。之后又出现了包含强韧厚膜,纳米结构的多层等。每层各有其相应的功能。图1是新开发这种先进系列中MC6015涂层结构的剖面图及各层主要功能。

  

图1:MC6015 的涂层结构

  图1中可见其最外层是超平滑的涂层表面,粗糙度非常低,在1μ以内。化学稳定性好,能抗粘结,耐磨,能在加工过程中保持正常磨损,实现稳定切削,并能防止粘结引起崩刃等突发损伤。表层下面是Al2O3涂层,这一涂层出现的一个很大的优点如图2,3所示,它在低温时硬度相对低,磨损大。在高温时却显示硬度高,磨损相对比其他涂层少。图3中显示,高速切削产生高温时,热扩散率降低,导热变难,减少了热传量入刀体,使热量大部分传入切屑随之排走,再加上Al2O3还具有优异的抗粘结性能,因此是高速高效切削的理想涂层材料。

  

图2:切削速度与后刀面磨损      图 3:温度和热扩散率

  MC6000系列各涂层均有Al2O3层,沉积时又对它采用了最新的“厚膜纳米结构”和“晶体成长控制技术”(图4),与以往相比,晶粒细化了,生长又控制在一个方向,可同时提高硬度和韧性,并能与下面的TiCN涂层结合得更紧密(图5)。Al2O3层下面的TiCN层也是纳米结构,沉积时控制使其结晶生长形成强韧的纤维结构(图4)进一步增强其耐破损能力,使在高速条件下,整体的耐磨耐破损性能进一步得到提升。

  

图4:结晶生长控制在相同方向

  MC6025,MC6035 和MC6015相比由图6可知各层成分基本相同,但每层组织、结构、厚度有所不同,MC6015的Al2O3膜层最厚,硬度最高,可用于切削较硬的钢材。切削速度可达到300m/min,甚至350m/min 以上。MC6025,MC6035的硬度比MC6015低,韧性则要更高。MC6035的韧性最高,用它可实现强断续表面的高效稳定加工。

  

图5:层间结合力强

  如之前所提到,CVD涂层易生成拉伸残余应力,以往的产品加工时,拉伸应力造成的龟裂,会直接延伸到涂层内部,是造成破损的原因。但先进MC6035的组织结构可成功缓和拉伸应力,分散断续切削的冲击,抑制破损(图7)。通过对多种材料以不同切削速度、切深进行的断续切削实验,证明MC6035 的寿命远超过去的产品。另外本系列涂层刀片还研发了新的基体材料,新基体材料和涂层之间,特别注意使之形成均匀的强韧中间层,也可防止龟裂延伸,提高耐破损性。

  

图6:MC6035 和MC6025

  车削刀片的性能也与其具体切削部分的几何形状的断屑槽有关。目前断屑槽结构不仅是槽本身的形状尺寸,也包括切除导入切屑的刀棱的角度正负、大小、宽度,以及形状等。断屑槽的功能不只是断屑,也关系到实际生成切削力、切削热的大小高低和加工质量、加工效率、操作是否省力、操作者安全性,能否实现自动化等多个方面。其设计除依据经验、实验,还依靠各种计算机辅助技术,以求得最佳的结构形状尺寸。

  

图7:MC6035 抑制破损机理

  为确定一定范围的切深和进给量所适合的断屑槽,MP6000系列精确设计并推荐了如下的断屑槽。如适精加工(ap=0.1-1)的FP,FV断屑槽。适轻切削(ap=0.2-2)的LP断屑槽、SH,SV,SA,SW断屑槽。其中SW带修光刃可增大进给量,也保证加工表面质量。适中切削(ap=1-4左右)的M类断屑槽和无代号断屑槽(ap=1.5-5),其中MW 是中切削的带修光刃的断屑槽。适合粗加工(ap=1.5-6)的RP断屑槽。总计十类断屑槽。在样本中具体指明了法后角为“零”的负角刀片和不等于“零”等于5º,7º的正角刀片的各种断屑槽的剖面形状。推荐使用的切削条件,写明适合一般切削还是不稳定的断续切削。

  正确选定了刀片材料和断屑槽后,就可实现在该切削条件下,高效稳定地车削钢件。以上是本文的第一个研发完成的目标。同时也可以看出,同一种涂层材料选择不同的断屑槽,就可以扩大刀片的使用范围。

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