粉末冶金高速钢刃具加工工艺研究

770 编辑：中冶有色技术网来源：张国吕鹏马金龙

2024-03-12 13:37:57

摘要：本文以粉末冶金高速钢材料及粉末冶金高速钢刀具加工工艺为主要研究内容,通过研制并完善包括材料与粉末冶金高速钢刀具加工工艺在内的粉末冶金高速钢刀具可靠实用的制造技术,为整体粉末冶金高速钢刀具的实际磨削加工奠定了理论基础,具有实际指导意义。

关键词：粉末冶金高速钢刀具,高速钢,磨削

中图分类号：S718.69 文献标识码：A

1 概述

粉末冶金高速钢刀具材料以其优异的物理力学性能和切削性能,在高速切削领域以及加工某些难加工材料方面,有其特殊的优点。粉末冶金高速钢刀具材料具有很高的硬度、高耐磨性、耐热性等优良性能,因而它广泛应用于切削加工领域。

随着高性能粉末冶金高速钢在切削加工领域的日益广泛应用,如何降低粉末冶金高速钢刀具在复杂切削条件下的摩擦磨损、提高粉末冶金高速钢刀具的综合性能,降低刀具成本,改善工件加工质量,是目前粉末冶金高速钢作为刀具材料研究的首要问题。本文通过实践和理论相结合,介绍了粉末冶金高速钢刀具的制造工艺,降低刀具使用成本和提高刀具的使用寿命的有效方法。

2 研究的目的及意义

随着加工能力的不断提升,国外大部分企业采用了磨削沟槽代替铣削沟槽,磨削恰好弥补了沟槽铣削过程中的缺陷,其中利用CNC工具磨床上磨削立铣刀沟槽已成为立铣刀生产的主要工艺。磨削铣刀沟槽分为二种：一种是用成形砂轮磨沟槽,另一种是用形状简单的标准砂轮磨沟槽。前者成形砂轮的价格较高,同时成形砂轮的修形也很麻烦,而第二种方法截形是直线的标准砂轮,其成本大大降低,同时砂轮的修形也很简单,若选用金刚石砂轮或CBN砂轮则基本上可以不用修形。而在刀具的刃磨加工过程中,磨削加工工艺直接影响刀具螺旋槽的槽形、几何形状及其精度,从而影响刀具的排屑、容屑性能和刀具的几何参数、强度以及刚度等,因此确定刀具合理的加工轨迹以及制定相应的磨削加工工艺,可以提高刀具的切削性能和使用寿命。

3 粉末冶金高速钢刀具材料特性

3.1 材料简介

高速钢是高速工具钢的简称。高速钢属于高碳高合金莱氏体钢,通过特殊热处理可以获得极高的硬度和红硬性。

粉末冶金高速钢简称粉冶高速钢或PM高速钢。采用粉末冶金方法（雾化粉末在热态下进行静压处理）制得致密的钢坯,再经锻、轧等热变形而得到的高速钢型材。

3.2 粉末冶金高速钢刀具材料特性

粉末冶金高速钢组织均匀,晶粒细小,消除了熔铸高速钢难以避免的碳化物偏析,因而比相同成分的熔铸高速钢具有更高的韧性和耐磨性,同时具有热处理变形小、锻轧性能和磨削性能良好的優点。

4 粉末冶金高速钢棒料入厂检验

粉末冶金高速钢棒料的选择是粉末冶金高速钢刀具制作的关键,选择好的粉末冶金高速钢棒料,满足刀具制备后的各项使用性能是必要的组成部份,棒料的质量直接影响刀具的性能,所以在加工刀具前应对棒料进行性能试验检测,具体内容如下：

（1）抗弯强度,（2）维氏硬度,（3）断裂韧性：直接压痕法,采用测抗弯强度断裂后的试样测显微硬度,（4）导热系数,（5）材料显微结构观察：采用SEM（扫描电子显微镜）、TEM（透射电子显微镜）、HREM（高分辨率透射电子显微镜）等仪器观察材料的显微结构,对性能较好的试样进行X射线衍射试验,定性/定量测定化合物成分,测定材料的相组成。

5 整体粉末冶金高速钢立铣刀制造工艺

目前,加工的零件主要采用整体式粉末冶金高速钢立铣刀进行铣削加工。其中铣刀的制造工艺对铣削加工质量影响很大,因此对铣刀的制造工艺要求比较高。对于一把新的立铣刀刃磨,其现行的主要工艺过程是：磨周刃前角、磨周刃后角、磨底齿前角、磨底齿后角（背角）。现以直径φ8mm,Z=4,β=40°的整体粉末冶金高速钢立铣刀为例,在综合分析了一般立铣刀的制造过程的基础上,详细设计了刀具零件图所示的刀具制造工艺技术路线,如图所示：

刀具制造工艺技术路线

5.1 立铣刀前刀面的磨削加工工艺分析

现行的磨削方法对前刀面为平面、螺旋角为零的直槽铣刀可以精确地按前角进行计算,对螺旋刃铣刀则只能近似计算,在试磨、测量之后再进行修正。由于法向前角的检测十分困难,因此实际上无法保证要求的前角,这对充分发挥刀具的使用性能是极为不利的。为了解决上述问题,通过分析磨削前刀面的加工理论,提出了可以保证精确地磨出所要求的法向前角的磨削加工方法。

5.2 磨削方式

采用碟凹锥形砂轮周边刃磨法,在磨削过程中只有砂轮周边的一段圆弧参与磨削,在刀具前刀面形成一段与之对应的凹弧,这段砂轮与刀具前刀面的实际接触线即为切触线。为形成几何上的螺旋刀刃,砂轮周边与刃线的切触点的运动方向与刃线上该点的切线方向一致,由此而产生的切触线的运动轨迹即形成螺旋前刀面。由于刀刃磨削的特点在刀刃切触点处,为了减少磨削过程中的摩擦,避免烧伤,保证磨削质量,需要砂轮周边端面与被磨削的前刀面相对转动一个磨削切角δ,其方向是相对刀刃切触点的切线矢量方向形成一定转角。

5.3 砂轮的安装

磨削前刀面时砂轮相对刀具的安装位置示意图如图所示,砂轮与刀具的轴交角为φ=90°-Φ,为避免砂轮干涉铣刀螺旋刃口而产生倒刃,安装角比工件（铣刀）螺旋槽的螺旋角刀β大1°-2°。当刀具按刀刃螺旋线的导程作螺旋运动时,砂轮大端面外圆包络出刀具的前刀面,同时砂轮的外圆锥面包络出刀具螺旋槽,即容屑槽。

5.4 螺旋槽的刃磨运动分析

螺旋槽磨削运动分析：工件可沿X、Z轴作直线运动,绕A轴作旋转运动,即工件旋转一周的同时沿轴线方向前进一个导程,砂轮沿Y轴作直线运动,绕B轴作旋转运动,砂轮轴线与工件轴线之间成φ角,从而磨制出刀具的螺旋槽。

参考文献

[1]毛世民,蔡建锋.圆柱铣刀前角的精确磨削[J].工具技术,1998.

[2]石琳,吴道全.球头立铣刀周齿螺旋面的刃磨[J].贵州工业大学学报,1997.

[3]高佑方.刀具的切削刃结构和立铣刀的数学模型研究[J].株洲工学院学报,2001.

[4]李键苟.刀具设计原理与计算[M].江苏科学技术出版社,1985.

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