车削钢材料在机械零件中的应用

       机械零件绝大多数是由碳素及合金结构钢制成，车削这类材料时，多形成带状切屑。为从毛坯上切除切屑，刀片需承受巨大的负荷，被切除的切屑从刀片前刀面飞速地滑出，它在与刀片的相对运动中，产生剧烈的摩擦面形成高温，故刀片材料不但要耐磨，而且要耐高温，在高温下保持硬度。所以切削此类材料应选用含TiC+TaC比例较多的P类硬质合金。当今为提高切削效益；切削速度；进给速度愈来愈高，P类硬质合金刀片不能胜任。在上世纪中叶，人们开发了在P类硬质刀片上再沉积一层高硬度的膜，称之为涂层（coating）。涂层厚度仅约为刀片厚度的0.2%，就可以大大地提高刀片寿命，且能适应更高的切削速度。这几十年来涂层技术也在不断地发展，如由单层发展到多层甚至纳米多层；厚度也由几μm增至十几μm，甚至更多，涂层材料种类性能及沉积技术也越来越先进；作为基体材料的硬质合金也由单一各向同性发展到适应加工要求的具倾斜性能的结构等。
        针对这最大数量材料的切削加工要求，三菱公司经多年研发，成功地推出了新的UE系列刀片材料。

图1：车削钢用的UE系列刀具材料

        图1简洁地表示了UE系列的组成，各牌号以及他们的选用概念图。图中纵坐标可表切深（背吃刀量），横坐标表进给量。在坐标原点处可见一带缺口的圆，表示沿45度线附近的各切深与进给量的切削条件，在进行轻微断续切削时，推荐选用的UE系列刀具的具体牌号，同时可选出相应的断屑槽。如当切深与进给较小时，可选用UE6010与SH断屑槽，若切深与进给量大致沿45度线向上增大，表示了切屑截面积逐渐增大，切削负荷逐渐增大时，依次可选用UE6010材料与MV和GH断屑槽，当切削面积更大时，可选用UE6020材料与Hx断屑槽。工件上若没有键槽，缺口等时，此时的切削称为连续切削，若加工余量也均匀，不是切削工件的表层，而是切削其内层，另外若工件的安装刚性较高，不易产生振动，此时切削力大致恒定时，以上条件下的切削属于稳定的切削范围，见图1的左上方。在此范围内的切削，随切深与进给量的增大，可分别选择UE6005材料与SH、MV、GH断屑槽，当切深和进给量更大时可选择UE6010材料和Hx断屑槽。图1的右下方有一个带四个缺口的圆，形象地表示工件上缺口多加工时形成更强烈的断续切削。加工余量不均，非工件内层切削而是硬度高且不均一的表皮的切削或是工件的安装刚性差易振动时的切削，都属不稳定的切削范围，此时主要可选用UE6020材料，随切深与进给量的增大可同前选择相应的断屑槽。不稳定条件更加严重时则应选用UE6035及相应的断屑槽。为什么这样选择呢？因UE系列，这四种材料如图1分别相当于ISO国际标准从P01到P40的不同等级，以上的号码越小表硬度越高，愈耐磨，愈可适应更高的切削速度，号码越大表韧性越高，愈耐冲击，但适应的切削速度相对较低，这从图1 下右推荐切削条件也可以看出。
        在说明UE系列特点前，先简要说明一下使刀具失效的损伤问题。当今刀具材料的硬质合金，金属陶瓷，陶瓷，CBN（钫氮化硼），PCD（人造聚晶金刚石）等烧结材料为主，高速钢的使用率已经下降了。烧结材料的损伤形态与高速钢一样有磨损（Wear），磨损是一种渐进损伤与切削时间、切削长度相关。因为是烧结材料又有自己的特性即硬而脆，韧性不足，在切削过程中会因切削力，切削热的变动造成瞬间与低循环冲击，而形成脆性损伤（Brittle Fracture ），这种损伤表现为（1）在刀刃上出现一些小缺口称缺损或微崩（Chipping）。（2）严重时产生大缺口称破损或崩刀（Broken Fracture）。刀刃上出现微小缺口，即缺损时，不能再用做精加工，但在某些情况下可继续做粗加工用。（3）另外在加工中，部分切屑粘结（Adhesion）熔结（Welding）在刀刃附近。一般的粘结、熔结磨损是零件，非烧结刀具损伤原因之一，对烧结工具材料来讲有可能产生粘结，熔结磨损，但更主要的是与刀具表面牢固结合在一起的切屑粘结，熔结物，积屑瘤在被后续的加工冲击后，强行使它与刀具表面分离，在这过程中，分离的同时将刀具部分材料也一起带走造成了粘结，熔结缺损与破损，故在现场加工中应尽量避免切屑的粘结熔结。当然它们还影响加工表面质量。（４）烧结材料导热差易产生热裂纹等损伤。
        三菱公司UE系列涂层材料正是为良好地抵抗以上这些主要刀具损伤、保证高效长寿命加工而开发出来的。UE系列这四种涂层均用CVD（化学气相沉积法）制成，此法膜层可制得较厚，耐磨，耐高温，可适应高速大进给，大切深切削。UE系列四涂层以UE6010、UE6020应用得最广。最具通用性、典型性。图2为UE6010和UE6020组织结构图片。

图2：车削钢用的UE系列刀具材料

        由图1可知，在45度线上，作为第一推荐是UE6010，因为它既有相当高的硬度很耐磨又有相当的韧性可适应一定的断续切削与冲击，它的基体硬质合金是倾斜结构，即各层性能功能是不同的，与涂层结合的最上层韧性大，保证涂层能牢固地与它结合，耐缺损和破损，基体硬质合金芯部则做得坚硬，抗变形能力强。涂层共分三层，与基体结合的最内层是TiCN纤维柱状结晶，次层硬度高也有相当的韧性，能很好地抵抗前后刀面磨损。
        中间一层是晶粒微细的Al2O3，它的硬度可达HY2100，其生成自由能值达－100Kcal/g.atom此值代表化学稳定性，值愈小化学稳定性愈好，耐热性越好，有此层在高速切削时，难以产生刀具与工件材料分子互相扩散，致使带状切屑的流动在前刀面造成的月牙洼磨损，此层在高温条件下对铁的熔解度几乎为零，使铁屑不易熔结在它表面，从而也避免因此造成的各种损伤。它是由独特的平滑涂层技术（even coating technology）涂上，表面特别光滑，在此基础上表面再涂上一层特殊钛化合物，此层保持平滑，使摩擦系数降低，进一步减少铁屑的粘结熔结。由于它是金黄色，较易发现可能产生的微小损伤。在推荐选用UE6010时，还特别推荐了适合切削条件广泛的MV断屑槽，这二者绝妙的结合，更增加其通用性。UE6020各层结构与性能特性与基体硬质合金结构特性UE6010大致相同。但其膜层较薄（图2）硬度比UE6010低，耐磨性较差，适应的切削速度也较低但在推荐的切削速度范围（图1）下仍可保持相当高的耐磨性。它的抗弯强度、韧性及耐冲击力则高于 UE6010，适合不稳定切削范围内的切削。在冲击载荷作用下，厚膜可能裂伤失效，膜层可信度下降，厚层更耐冲击可信度高。
        针对UE6010与UE6020的使用条件，如在连续切削，很稳定的切削条件，则可进一步选用硬度更高更耐磨的UE6005，此时冲击载荷很小甚至没有，就可按推荐更高切削速度易实现更高效的切削。相反若断续切削，冲击载荷更大时，则可选用比UE6020韧性更高，抗弯强度更大的UE6035，在推荐的切削速度下工作，虽然速度下降了（图1），但避免了刀具缺损，破损，使刀具使用寿命延长，避免了频繁更换刀片，缩短了辅助时间，同样提高了切削效率。