镗削加工中避免工件材料加工硬化的技巧

2018-07-12 19:28:27     来源:工具技术

对易加工硬化材料进行镗削加工时,其中一个挑战是提前识别预钻孔是否已经硬化。但大多数时候,镗孔作业的工作人员并没有意识到这个问题。于是,他们通常会按非硬化条件下软钢的切削参数对机床编程镗孔,如此就会降低刀具寿命。然而,这个孔可能因为用了磨钝或不适合的钻头加工而已经硬化,由此带来的问题便留给了后续的加工或最终用户。


加州西米谷科学刀具公司的产品开发经理Harvey Patterson说,很多时候,镗刀的制造商会接到电话抱怨刀具不像以前那么好用了,甚至怀疑刀具制造商正在制造不合格的刀具。


威斯康辛州沃喀沙瓦尔特美国刀具有限公司负责车、镗和可转位钻削刀具的产品经理Sarang Garud也认同这点。他认为,磨钝的钻头或误用钻头会使所加工的孔处于非常糟糕的硬化状态。不管你在镗孔作业中使用了多少好的办法,都将为一个糟糕的粗加工而付出代价。一个好的应用工程师应该能够根据刀具使用状况及时发现工件材料的加工硬化情况而不是指责刀具的制造商。


Garud指出,容易产生加工硬化的材料包括镍基超合金如Inconel 718、奥氏体不锈钢和双相不锈钢。切削加工产生的热会使工件材料的加工硬化倾向增加。即使在冷加工中(如拉伸、挤压或抛光等过程)材料的晶体结构也会趋于硬化。然而,材料的晶体结构在加热状态下更容易重新排列而硬化。


查看切屑颜色


Patterson说,要想知道钻孔时是否导致了材料的加工硬化,可以对加工过程中产生的切屑进行视觉检查。因为切屑的流动和切削液的飞溅使得无法在镗孔加工时确定加工硬化的迹象,机械师需要通过检查钻削时产生的较大切屑而发现问题所在。

镗削加工中避免工件材料加工硬化的技巧

当镗削易加工硬化工件时,瓦尔特刀具公司建议使用较小切削刃钝圆半径和刀尖圆弧半径的刀具,以减少径向切削力,并使切削深度大于刀尖圆弧半径。


在谈到硬化材料的切屑时,Garud说,切屑的颜色可能会较暗黑,说明较多的热量致使材料硬化。观察先前加工产生的切屑可能是最快的检查方式。


根据Garud的说法,另一种加工硬化的视觉迹象是镗孔表面不一致的光滑程度。当镗孔出现加工硬化时,通常会在第一次走刀后在刀具的切深位置处出现沟槽和崩刃之类的磨损问题。此外,当镗削薄壁零件时出现加工硬化,薄壁会因切削力过大而弯曲。


他认为,一些先进的非破坏性技术如超声波,可能会有所帮助,但并不是所有的车间都配有此类设备并培训所有人员使用。实验室测试或破坏性测试,如在加工之前和之后切开钻孔并在硬度试验机上测试也是可行的。


美国俄亥俄州多佛联合机械工程公司的产品经理Ben Morrett补充说,切屑的形成和控制提供了进一步的线索。在切削加工易引起刀具崩刃的材料时,如果切屑易断,说明该材料可能已经硬化。


刀具几何参数


为了在防止加工硬化的同时有效地镗孔,Morrett说,联合机械工程公司提供了一个符合ISO标准的刀片,它具有正前角切削刃,在切屑下面实现剪切,可以减少在镗孔过程中产生的热量。刀具设计为这种几何形状是解决易硬化材料加工硬化的一个良好开端,目前此类刀具提供三种不同ISO尺寸规格。


对切削刃稍加打磨有益于镗削易加工硬化材料。Patterson指出,在镗孔时刀具上的沟槽磨损在刀具的切深位置处形成,而打磨切削刃则有利于阻止这种沟槽的形成。


Garud建议,如果切削过程和切削余量允许的话,可以改变每次切削的切削深度。当这种方法不可行时,则用一个较小切削刃钝圆半径和刀尖圆弧半径的刀具,以减少径向切削力,事先计划好切削深度,使切削深度大于刀尖圆弧半径。


Morrett表示,联合机械工程公司还有一款PVD TiAlN多涂层刀片,用于加工难加工材料高温合金和不锈钢。这种涂层能够很好地阻热,减少工件材料粘刀和积屑瘤的形成,公司生产的WHC111涂层刀片非常适合于硬度高达58HRC材料的加工。


Patterson认为,TiAlN涂层的工具适于易硬化材料的镗削加工。然而,许多零件制造商喜欢使用无涂层的刀具,因为其成本更低,而且能用于较软的金属材料。但如果材料加工硬化了,则可能需要涂层刀具。


减小切削热


当终端用户意识到并非在镗削软质材料(如退火钢),而是一个已经硬化的孔时,Patterson建议减少30%以上的切削速度。

F101 02 GN 200 WHC111正前角刀具适于易加工



硬化的材料镗削加工当镗削易于加工硬化材料时,Morrett也认为有必要降低切削速度,但是可以增加进给速度以保持材料切除率并防止加工硬化。为了迅速执行和完成切削过程,不能害怕使用较高的进给速度,因为切削时间越长,就越有可能使材料产生加工硬化。镗削这些材料的方法与钻削方法相似。


Garud补充说,极低的进给速度会使刀具耕犁而不是剪切材料。而做同样的切削,剪切意味着更少的能量需求和更少的加工硬化。


另一种常见的方法是使用冷却液,特别是使它精确对准刀具/工件接触面。Patterson说,穿过刀具实现内冷的冷却液确实有帮助,冷却液会进入孔底,然后从孔内部由里往外冲洗。如果冷却液不是通过镗杆内部进入孔底而是外部路径,则切屑、镗杆本身会对冷却液形成障碍。如此,发生加工硬化的可能性就会增大。Morrett说,可在一定的压力下使用冷却液,多数情况下使用压力为400psi或500psi以下的切削液就能够满足应用,没有必要在1000psi的压力下使用冷却液。


有关硬度


虽然聚晶立方氮化硼(PCBN)是硬镗加工时的首选刀具材料,但它不适用于未经过热处理材料孔的镗削,即使该材料有加工硬化倾向。这是因为,正如前面所提到的,很难知道材料是否已硬化,而且在整个制孔和精加工过程中不可能只使用锋利的新刀具。

科学刀具公司的镗刀系列



Patterson说,如果材料硬度低于45HRC,不适合选用CBN刀具。当使用CBN刀具切削软钢时,CBN刀具磨损得非常快,比硬质合金刀具磨损得更快。但当材料硬度超过45HRC时,CBN刀具性能明显优于标准硬质合金刀具。


此外,Morrett说,PCBN—镶嵌刀片切削刃钝化,切削时会增加切削热的产生。CBN适用于经过热处理或其他措施硬化的材料——这些材料不同于不锈钢或耐热高温合金。根据Garud的说法,通过热处理或预硬化获得的硬度范围比加工硬化导致的硬度范围更容易控制,因为后者会随着加工参数和刀具状态的变化而变化。Garud强调,从某种意义上说,硬质材料的差异在于硬化层的一致性。


为了避免镗削易硬化材料时刀片沟槽磨损和崩刃、减少刀具寿命和其他缺陷的发生,Patterson建议制孔过程中常检查所用刀具,包括钻孔刀具、铰刀、镗刀,判断刀具是否仍然锋利,有无粘结切屑或裂纹等。一般裸眼观察就足够了,但在10倍显微镜下观察则更容易发现问题。而一些年轻的操作工经常只看一把刀具、观察一种切屑。


镗削打印金属材料


随着越来越多的金属部件被3D打印出来和所使用金属粉末种类的数量不断增加,零部件制造商可能会面临这些零件镗削加工时的困难。不幸的是,几乎没有任何针对3D打印金属部件机械加工的建议。


科学刀具公司的Harvey Patterson说,据我所知,目前还没有人在3D打印材料上做刀具寿命的测试,以便给那些需要加工3D打印材料零件厂商提供切削加工信息,比如,你会因为困难而放慢速度吗?这种材料的横向断裂强度真的很高吗?需要很大的切削力吗?他补充说,横向断裂强度越高,需要施加在刀片上的力越大。这会增加刀具的挠度,因此需要更小的切深。


然而,目前镗削3D打印部件的案例数量似乎还很少。Patterson说:“我只接到过一个客户来电说他正在进行此类加工。”客户面临刀具过早磨损的问题,确切的材料性能仍在讨论中。


联合机械工程公司的Ben Morrett估计只有少数客户需要切削加工3D打印材料。他表示没有足够的信息来确定他能否使用CBN或金刚石刀具进行此类切削,或者他如何处理刀具磨损问题。他们正在使用我们的一些粗加工刀具(如双刃刀)来更好地进行孔加工。

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