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粉末冶金零件的车削加工摘要:圆弧、整圆和螺旋线的插补原理G98指令加工实例双立柱双刀库五面体龙门式加工中心问世切削液的常见问题解答PowerINSPECT 4新功能介绍FANUC车床编程–辅助功能(M功能)切削运动与切削用量住友电工开发出“XF1”能支持多种生产方式的NC攻丝中心交流伺服控制型可编程水轮机调速器的研制与应用用于模具精铣加工的球头立铣刀汽车焊接车间设备故障自动诊断及焊机群控系统切削加工新概念AutoCAD开发工具综述MSC.Actran介绍—最全面的预测结构和机械系统声场和数控机床在汽车制造中的应用HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC在木工带锯机中的应用为中国汽车业提供国际水平整车制造装备慢走丝线切割加工工件表面质量的改善与提高中国机床工具行业亟待转变增长方式 1前言粉末冶金(PM)是将金属粉末与金属粉末或金属粉末与非金属粉末按需要的比例混合后在模腔内压制成型,然后经过烧结和精整成为粉末冶金机械零件的工艺。它是一种节材、节能、投资少、见效快、无污染、适合大批生产的少、无切削、高效金属成型工艺,已经在汽车、摩托.
1前言
粉末冶金(Powder metallurgy,PM)是将金属粉末与金属粉末或金属粉末与非金属粉末按所需比例混合,然后在模具型腔中压制成型,再经烧结、精整成为粉末冶金机械零件的过程。是一种节材、节能、投资少、见效快、无污染、切削少、适合大批量生产的高效金属成形工艺。它已广泛应用于汽车、摩托车、农业机械生产等行业,尤其是汽车行业。近年来,采用粉末冶金工艺制造的汽车动力系统零件数量不断增加,这是因为采用粉末冶金工艺制造的零件具有许多重要而独特的优点,可以降低成本,提高使用性能,减轻零件重量,保护环境。粉末冶金技术可以生产出普通熔炼方法无法生产的具有某些特殊性能的材料和零件。粉末冶金零件的残余多孔结构使其具有自润滑性和隔音性。虽然PM行业的初衷之一是淘汰所有的机械加工,但是这个目标还没有实现。大多数零件“接近最终形状”,仍然需要精加工以获得所需的精度和表面粗糙度。但由于粉末冶金材料的结构不同于铸锻件,其切削加工性也有其特殊性。
2 PM零件的性能和加工难点
机械性能
多孔结构是粉末冶金零件被广泛应用的特征之一。粉末冶金零件的大多数性能,包括可加工性,不仅与其合金的化学成分有关,还与多孔结构的孔隙率有关。许多结构件的孔隙率高达15% ~ 20%,用作过滤装置的零件孔隙率可能高达50%。而锻造或HIP(热离子压铸)部件孔隙率为1%或更小。HIP材料适用于汽车和飞机,因为它们可以达到更高的强度水平。
粉末冶金材料的抗拉强度、韧性和伸长率将随着密度的增加而增加,但由于减少了粉末冶金材料的多孔性对刀头的有害影响,粉末冶金材料的可加工性将得到改善。增加材料的孔隙率可以提高零件的隔音性能,在粉末冶金零件中减少了标准件中常见的阻尼振荡,这对于机床、空空调管、气动工具都是非常重要的。此外,高孔隙率对于自润滑齿轮也是必要的。
加工困难
虽然只需要加工少量的粉末冶金零件,但是加工粉末冶金零件是极其困难的,这主要是由于粉末冶金材料的多孔结构造成的,降低了工具的使用寿命。
孔隙导致切削刃的微观疲劳。当刀具从孔到固体颗粒来回移动时,刀具的尖端不断受到冲击。连续的小冲击会导致刃口产生小裂纹,这些疲劳裂纹会逐渐增大,直至刃口轻微塌陷。这种微崩通常很小,一般表现为正常的磨粒磨损。
多孔性还会降低粉末冶金零件的导热性。切削时,切削刃上的温度很高,会造成月牙状磨损和变形。内部多孔结构为切削液从切削区域排出提供了通道,这可能会导致热裂纹或变形,这在钻孔中尤其严重。
内部多孔结构造成的表面积增加也会造成热处理过程中的氧化和/或碳化,这些氧化物和碳化物坚硬耐磨。
由于孔隙的存在,孔隙的硬度在小范围内波动。即使测得的宏观硬度为HRC20~35,零件的颗粒硬度也会高达HRC60,这些坚硬的颗粒会造成严重而尖锐的边缘磨损。
许多粉末冶金零件在热处理后更加坚硬和坚固。烧结热处理工艺和使用的气体会使粉末冶金零件表面含有坚硬耐磨的氧化物和/或碳化物。
零件中夹杂物的存在也是不利的。在加工过程中,这些颗粒会从表面被拉起,当它们从刀具前面经过时,会在零件表面形成划痕或擦伤。这些夹杂物通常很大,在零件表面留下可见的孔洞。此外,碳含量的不均匀导致切削性能的不一致。比如FC0208合金的含碳量为0.6% ~ 0.9%,含碳量为0.9%的材料比较硬,刀具寿命短。而含碳量为0.6%的切削材料,可以获得更长的使用寿命。
粉末冶金材料的独特处理技术
为了提高粉末冶金零件的切削性能,粉末冶金行业采用了独特的材料处理技术。表面多孔结构通常通过渗透封闭,因此通常需要自由切削。最近,粉末冶金新技术已被用于提高粉末的洁净度,并减少热处理过程中氧化物和碳化物的产生。
封闭表面多孔结构是通过金属(通常是铜)或聚合物渗透实现的。有人曾认为浸渗的作用类似润滑剂,但大多数实验数据表明,浸渗的真正优势在于封闭了表面的多孔结构,从而防止了切削刃的微疲劳,减少了刀具的颤振,延长了刀具的寿命,降低了表面粗糙度。渗处理后,刀具寿命提高了2倍。
实践表明,在粉末冶金材料中加入添加剂如硫化锰、硫、二硫化钼、硅酸镁和氮化硼,可以提高刀具寿命。这些添加剂可以通过使切屑更容易从工件上分离和折断、防止切屑堆积的形成和润滑切削刃来改善材料的可加工性。增加添加剂的用量可以改善切削性能,但会降低材料的强度和韧性。
控制烧结和热处理炉气的粉末雾化技术可以提高粉末的洁净度,最大限度地减少夹杂物、表面氧化物和碳化物的产生。
3工具材料
目前粉末冶金行业广泛使用的刀具主要有立方氮化硼(CBN)刀具、无涂层和涂层金属陶瓷以及改良涂层硬质合金。这些刀具材料在切削粉末冶金材料时,具有耐磨、耐崩刃、不切屑的特点,并能获得较低的表面粗糙度。
CBN工具
CBN刀具具有较高的硬度和耐磨性,适合加工粉末冶金零件。CBN刀具已经用于加工HRC≥45的钢和铸铁很多年了。然而,由于粉末冶金合金的独特性能以及显微硬度和宏观硬度之间的显著差异,CBN工具可以用于加工像HRC25这样软的粉末冶金零件。关键参数是颗粒的硬度。当颗粒硬度超过HRC50时,无论宏观硬度值如何,CBN工具都可用。CBN刀具的明显缺点是韧性不足。如果切削时断时续或孔隙率较大,则需要对CBN刀具的切削刃进行强化,包括负倒角和重珩磨。如果是轻载切削,可以利用珩磨切削刃来完成加工。
韧性最好的材料主要由全立方氮化硼组成,韧性好,可用于粗加工。然而,它们的局限性通常与表面粗糙度有关,而表面粗糙度很大程度上是由构成工具的CBN单个颗粒决定的。当颗粒从切削刃上脱落时,会对工件材料表面产生影响,而细颗粒刀具的脱落不太严重。
常用的CBN材料,CBN含量高,粒度中等。CBN精加工刀片具有细颗粒和低CBN含量,它们对于轻负载切削和需要表面粗糙度或加工合金特别硬的情况最有效。在许多切削过程中,刀具寿命和材料类型是独立的,即任何CBN材料都可以达到相似的刀具寿命。在这些情况下,材料选择主要基于每个切削刃的最低成本。圆形刀片具有CBN的整个顶面,并且可以提供四个或更多个切削刃,因此它比四个插入的CBN刀片便宜。
金属陶瓷和硬质合金
当粉末冶金零件的硬度低于HRC35,且颗粒硬度不超出范围时,金属陶瓷刀具通常是可选刀具之一。陶瓷很硬,能有效防止积屑,能承受高速。此外,由于金属陶瓷一直用于钢零件和不锈钢的高速精加工,因此它们通常具有适合于接近成型零件的理想几何槽形状。今天的金属陶瓷在冶金学上很复杂,有多达11种合金元素。它们通常由碳氮化钛(TiCN)颗粒和镍钼粘结剂烧结而成。TiCN提供硬度、抗碎裂性和化学稳定性,这些对于金属陶瓷的成功使用非常重要。此外,这些工具通常具有高粘合剂含量,这意味着它们具有良好的韧性。总之,它们具有有效加工粉末冶金合金的所有特征。有几种金属陶瓷是有效的,就像碳化钨硬质合金,粘结剂含量越高,韧性越好。
中温化学气相沉积(MTCVD)涂层在粉末冶金工业中显示出巨大的优势。MTCVD涂层不仅保留了传统化学气相沉积(CVD)涂层的全部耐磨性和抗凹坑磨损性,还提高了韧性。这种韧性的提高主要来自于裂纹的减少。涂层在高温下沉积,然后在炉中冷却。由于热膨胀不一致,当工具达到室温时,涂层包含裂纹,这会降低工具的切削刃强度。MTCVD工艺较低的沉积温度可以降低裂纹的发生频率,获得韧性较好的切削刃。
当CVD涂层和MTCVD涂层的基底具有相同的特性和边缘修整时,它们之间的韧性差异已经得到验证。在要求切削刃韧性的应用中,MTCVD涂层的性能优于CVD涂层。通过以上分析,在加工多孔结构的粉末冶金零件时,边缘韧性非常重要,因此MTCVD涂层比CVD涂层更适合加工粉末冶金零件。
物理气相沉积(PVD)涂层更薄,并且不如MTCVD或CVD涂层耐磨或抗凹坑。然而,PVD涂层的特点是能够承受巨大的冲击。当切削是磨料磨损时,PVD涂层是非常有效的,CBN和金属陶瓷太脆并且要求低的表面粗糙度。例如,用C-2硬质合金刀具加工FC0205时,当V=180m/min,f=0.15mm/r时,加工20个零件后,积屑瘤可引起微崩。当使用PVD氮化钛(TiN)涂层刀具时,切屑堆积得到抑制,刀具寿命大大延长。TiCN的抗碎能力几乎与锡相同,但比锡更硬、更耐磨。粉末冶金零件的磨料磨损特性预期用TiCN比用TiN涂层更有效。
孔隙率是影响FC0208合金可加工性的重要因素。当孔隙结构和特征改变时,各种工具材料提供相应的优势。当密度低(6.4g/cm3)时,宏观硬度低。在这种情况下,MTCVD涂覆的硬质合金可以提供更长的使用寿命。切削刃的微观疲劳很重要,切削刃的韧性很重要。在这种情况下,韧性好的金属陶瓷刀片具有更长的使用寿命。当加工密度为6.8g/cm3的相同合金时,磨料磨损变得比边缘裂纹更重要。在这种情况下,MTCVD涂层工具具有长的使用寿命。用PVD涂层硬质合金测试两种极硬零件时,会发生边缘断裂。
当速度增加时(V>300m/min),金属陶瓷甚至涂层金属陶瓷都会产生月牙状磨损。涂层硬质合金更合适,尤其是涂层硬质合金切削刃韧性好的时候。金属陶瓷最常用于车削和镗孔加工,因为较低的速度和更多的关注芯片积累可能是预期的,PVD涂层硬质合金是理想的螺纹加工。