車(chē)刀材料的選擇

常用的硬質(zhì)合金可根據(jù)其制造的合金元素不同，分為以下四類(lèi)：

1．鎢鈷合金

      由碳化鎢和鈷組成，常溫時(shí)的硬度為HRA87～92，紅硬性為800--900，代號(hào)為YG，常用商標(biāo)為YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8、YGll等。其中YG3X及YG6X歸于細(xì)顆粒碳化鎢合金。YA6則是我國(guó)試制成功的一種含有少數(shù)碳化鈷的細(xì)顆粒硬質(zhì)合金。

      鎢鈷合金冷硬性很高，耐性也較好，宜用于加工脆性資料，如金屬蝕口鑄鐵，也可車(chē)削沖擊性較大的工件。因?yàn)樗募t硬度較差，在600℃時(shí)，鎢鈷合金簡(jiǎn)單和切屑粘結(jié)，使刀頭前面磨損，故不宜用于車(chē)削軟鋼等耐性金屬。

      YG6X細(xì)顆粒碳化鈷合金耐磨性較好，其強(qiáng)度近似YG6，因而車(chē)削冷硬合金鑄鐵、耐熱合金鋼及普通鑄鐵等都有杰出效果。

2．鎢鈦鉆合金

      由碳化鎢、碳化鈦及元素鉆組成，代號(hào)用YT表明，常用的有YT5、YTl4、YTl5、YT30等商標(biāo)。鎢鈷鈦合金的冷硬功能和紅硬功能比硬質(zhì)合金高。在高溫條件下比鎢鈷合金耐熱耐磨、抗粘性大，宜于加工鋼料及其他耐性金屬資料，但因?yàn)樾源?，不耐沖擊，故不宜加工脆性金屬。

3．鎢鈷鈦鈮合金

      它是鎢鈷鈦合金中的新產(chǎn)品，由碳化鎢、碳化鈦、鈷、少數(shù)碳化鈮組成，代號(hào)為YW，常用商標(biāo)為YWl、YW2。它的耐磨性和熱硬性都比較好，適用于切削各種鑄鐵和特殊合金鋼材，如不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼等較難加工的資料。

4．鎢鈷鈮類(lèi)合金

      這是一種含有少數(shù)碳化鈮的細(xì)顆粒鎢鉆類(lèi)硬質(zhì)合金，代號(hào)為YA，常用商標(biāo)為YA6。它的耐磨功能更高，適合于不銹鋼、耐熱鋼、特硬鑄鐵、鐵合金、硬塑料、玻璃和陶瓷等的加工。

      在選用硬質(zhì)合金時(shí)，應(yīng)根據(jù)硬質(zhì)合金本身功能特點(diǎn)、加工工件資料和切削條件等因素歸納考慮。

      除高速鋼和硬質(zhì)合金兩種常用車(chē)刀切削資料外，還有碳素工具鋼、合金工具鋼、金剛石、陶瓷等。碳素工具鋼、合金工具鋼的切削功能差，而金剛石價(jià)格高，以上三者都較少采用。

      因?yàn)樘沾少Y料比硬質(zhì)合金的紅硬性更高，耐磨性好，價(jià)格低，正成為一種使用廣泛的刀具資料，但因?yàn)樵摲N資料性脆、怕沖擊、刃磨困難，所以在使用時(shí)仍受到一定的限制。

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齒輪加工中強(qiáng)力噴丸

強(qiáng)力噴丸是提高齒輪齒部彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的重要方法，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪壽命的重要途徑。本文主要介紹齒輪加工中的強(qiáng)力噴丸工藝。

1、工作原理  

強(qiáng)力噴丸工藝主要是利用高速噴射的細(xì)小鋼丸在室溫下撞擊受?chē)姽ぜ砻?，使工件表層材料產(chǎn)生彈塑性變形并呈現(xiàn)較高的殘余壓應(yīng)力，從而提高工件表面強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度。噴丸一方面使零件表面發(fā)生彈性變形，同時(shí)也產(chǎn)生了大量孿晶和位錯(cuò)，使材料表面發(fā)生加工強(qiáng)化。如圖1所示：

.    圖1-a   經(jīng)噴丸處理的零件表面    圖1-b 未經(jīng)噴丸處理的零件表面

噴丸對(duì)表面形貌和性能的影響主要表現(xiàn)在改變零件的表面硬度、表面粗糙度、抗應(yīng)力腐蝕能力和零件的疲勞壽命。零件的材料表層在鋼丸束的沖擊下發(fā)生循環(huán)塑性變形。根據(jù)材料的性質(zhì)和狀態(tài)的不同，噴丸后材料的表層將發(fā)生以下變化：硬度變化、組織結(jié)構(gòu)的變化、相轉(zhuǎn)變、表層殘余應(yīng)力場(chǎng)的形成、表面粗糙度的變化等。

2、    噴丸強(qiáng)度的測(cè)量方法

當(dāng)一塊金屬片接受鋼丸流的噴擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲。飽和狀態(tài)和噴丸強(qiáng)度是噴丸加工工藝中的兩個(gè)重要概念。飽和狀態(tài)是指在同一條件下繼續(xù)噴擊而不再改變受?chē)妳^(qū)域機(jī)械特性時(shí)的狀態(tài)。所謂噴丸強(qiáng)度，就是通過(guò)打擊預(yù)制成一定規(guī)格的金屬片（即試片），在規(guī)定的時(shí)間使之達(dá)到飽和狀態(tài)的強(qiáng)弱程度，并用試片彎曲的弧高值來(lái)度量其噴擊的強(qiáng)弱程度。

目前，應(yīng)用廣的美國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)工程學(xué)會(huì)噴丸標(biāo)準(zhǔn)中采用阿爾曼提出的噴丸強(qiáng)化檢驗(yàn)法——弧高度法，該方法由美國(guó)GM公司的J. O. Almen（阿爾門(mén)）提出，并由SAEJ442a和SAE443標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量方法，其要點(diǎn)是用一定規(guī)格的彈簧鋼試片通過(guò)檢測(cè)噴丸強(qiáng)化后的形狀變化來(lái)反映噴丸效果。對(duì)薄板試片進(jìn)行單面噴丸時(shí)，由于表面層在彈丸作用下產(chǎn)生參與拉伸形變，所以薄板向噴丸面呈球面彎曲。通常在一定跨度距離上測(cè)量球面的弧高度值，用其來(lái)度量噴丸的強(qiáng)度。測(cè)定弧高度值是通過(guò)將阿爾門(mén)試片固定在專(zhuān)用夾具上，經(jīng)噴丸后，再取下試片，然后用阿爾門(mén)量規(guī)測(cè)量試片經(jīng)單面噴丸作用下產(chǎn)生的參與拉伸形變量（即弧高度值）。如用試片測(cè)得的弧高值為0.35mm時(shí)，記作0.35A。

噴丸強(qiáng)度的另一種檢驗(yàn)方法為殘余應(yīng)力檢測(cè)，即對(duì)經(jīng)強(qiáng)力噴丸后的工件進(jìn)行殘余應(yīng)力的檢測(cè)，具體的檢驗(yàn)方法為X射線衍射法。在美國(guó)SAE J784a標(biāo)準(zhǔn)中推薦如下方法：X射線的入射和衍射束必須平行于齒輪的齒根，圓柱直齒輪和圓柱螺旋齒輪上的測(cè)量位置應(yīng)當(dāng)在齒根的寬度中央，照射區(qū)域必須集中在齒根圓角的中心，不能橫向延伸超出規(guī)定的齒根圓角表面深度的測(cè)量點(diǎn)，照射區(qū)域大小的控制可以通過(guò)對(duì)直光束和適當(dāng)遮蓋齒根表面實(shí)現(xiàn)；在每個(gè)選定受檢的齒輪上，少要任選兩個(gè)齒進(jìn)行評(píng)估，兩齒間隔180。如果齒的有效齒廓受到保護(hù)沒(méi)有研磨，則可以認(rèn)為齒根研磨的用于表面下殘余應(yīng)力測(cè)量的齒輪未受損壞并且可以用于生產(chǎn)。

3、    噴丸對(duì)提高零件疲勞抗力的作用

a．借助表面冷變形實(shí)現(xiàn)材料表面強(qiáng)化的本質(zhì)在于冷變形造成材料表層組織結(jié)構(gòu)的變化、引入殘余壓應(yīng)力以及表面形貌的變化。

b． 噴丸使材料表面性能改善

c． 強(qiáng)化噴丸過(guò)程中，當(dāng)微小球形鋼丸高速撞擊受?chē)姽ぜ砻鏁r(shí)，使工件表層材料產(chǎn)生彈、塑性變形，撞擊處因塑性形變而產(chǎn)生一壓坑，撞擊導(dǎo)致壓坑附近的表面材料發(fā)生徑向延伸。當(dāng)越來(lái)越多的鋼丸撞擊到受?chē)姽ぜ砻鏁r(shí)，工件表面越來(lái)越多的部分因吸收高速運(yùn)動(dòng)鋼丸的動(dòng)能而產(chǎn)生塑性流變，使表面材料因塑性變化而產(chǎn)生的徑向延伸區(qū)域越來(lái)越大，發(fā)生塑性形變的表面逐步連接成片，則使工件表面逐步形成一層均勻的塑性變形層。塑性變形層形成后，繼續(xù)噴丸會(huì)使塑變層因繼續(xù)延伸而厚度逐步變薄，同時(shí)塑變層的徑向延伸會(huì)因受到鄰近區(qū)域的限制而導(dǎo)致重疊部分發(fā)生破壞，終塑變層因持續(xù)的噴丸而剝落。所以必須對(duì)噴丸的時(shí)間加以嚴(yán)格的控制。

4、噴丸對(duì)滲碳齒輪表層殘余應(yīng)力的影響

關(guān)于噴丸使工件表面形成殘余應(yīng)力的原因，根據(jù)Al-Obaid等人的觀點(diǎn)：當(dāng)高速鋼丸撞擊到試樣表面,撞擊處產(chǎn)生塑性變形而殘余一壓坑,當(dāng)越來(lái)越多的鋼丸撞擊到試樣表面時(shí),則會(huì)在試樣表層產(chǎn)生一層均勻的塑變層,由于塑性變形層的體積膨脹會(huì)受到來(lái)自未塑性變形近鄰區(qū)域的限制,因此整個(gè)塑變層受到一壓應(yīng)力。

由于殘余壓應(yīng)力及其分布對(duì)齒輪疲勞壽命有較大的影響,而噴丸強(qiáng)化工藝的優(yōu)劣將直接影響殘余應(yīng)力大小及其分布。因此準(zhǔn)確測(cè)定受?chē)娏慵谋韺託堄鄳?yīng)力對(duì)于評(píng)價(jià)噴丸工藝的優(yōu)劣是一個(gè)行之有效的手段。

5、噴丸對(duì)零件表面粗糙度的影響

強(qiáng)化噴丸會(huì)引起零件受?chē)姳砻娴乃苄宰冃?，使零件的表面粗糙度發(fā)生變化。表面粗糙度是一種微觀幾何形狀誤差，又稱(chēng)為微觀不平度。表面粗糙度和表面波度、形狀誤差一樣，都屬于零件的幾何形狀誤差，表面粗糙度對(duì)于機(jī)器零件的使用性能有著重要的影響。噴丸對(duì)材料表面粗糙度的影響通常在Ra0.6～20mm范圍內(nèi)。在不改變工藝參數(shù)的條件下，材料原始表面粗糙度愈高，噴丸后的Ra值愈大。生產(chǎn)實(shí)踐證明，一般情況下，噴前表面粗糙度在6.3mm以下，噴丸可以提高或維持原表面粗糙度，如果原表面粗糙度在6.3mm以上，則噴丸后表面粗糙度有所降低。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，要想獲得較理想的噴丸表面，應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：

提供較好的原始表面，Ra值應(yīng)在6.3mm以下；

選擇合理的鋼丸直徑和噴丸壓力；

在大直徑鋼丸噴丸強(qiáng)化后，采用較小鋼丸低壓力(不能改變噴丸強(qiáng)度值)覆蓋一次，可達(dá)到較好的表面粗糙度。

噴丸后的零件表面應(yīng)輕微打磨，打磨時(shí)要控制表面金屬去除量。這樣，既不損害噴丸的強(qiáng)化效果，又可改善表面粗糙度。當(dāng)然，這是一個(gè)多因素問(wèn)題,不論采用什么方法，必須同時(shí)考慮其他因素的影響。

6 、工藝參數(shù)對(duì)噴丸效果的影響

對(duì)噴丸質(zhì)量有影響的主要有以下幾個(gè)方面：

鋼丸材料、鋼丸直徑、鋼丸速度、鋼丸流量、噴射角度、噴射距離、噴射時(shí)間、覆蓋率等。其中任何一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)不同程度地影響噴丸強(qiáng)化的效果。

a、鋼丸的材料、硬度、尺寸及粒度對(duì)噴丸效果的影響

鑄鐵丸和鑄鋼丸通常用于硬齒面齒輪的噴丸。鑄鐵丸的缺點(diǎn)是韌性較低，在噴丸過(guò)程中易于破碎、耗損量大，對(duì)破碎的鋼丸要及時(shí)分離，否則會(huì)影響受?chē)姳砻尜|(zhì)量。但鑄鐵丸的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、硬度高，可以使受?chē)姳砻娈a(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力。鑄鋼丸與鑄鐵丸相比，其優(yōu)點(diǎn)是不易破碎，對(duì)受?chē)姳砻鎺缀涡蚊灿欣?。但鑄鋼丸硬度較鑄鐵丸低，在其他條件相同時(shí)，受?chē)姳砻娴臍堄鄩簯?yīng)力低于鑄鐵丸。

非晶合金涂層在加工刀具上的應(yīng)用

       近年來(lái)，跟著研討的不斷深入，加工技能高質(zhì)量、低能耗的特色逐漸受到重視，并在航空航天范疇得到廣泛應(yīng)用。加工技能包括加工機(jī)床、加工刀具和加工工藝等方面。《非晶中國(guó)工業(yè)開(kāi)展咨詢》主要從加工刀具的資料涂層技能方面進(jìn)行介紹，給非晶態(tài)合金應(yīng)用提供新的方向和思路。

加工及對(duì)刀具的高要求

       加工(High PerformanceMachining，HPM)是在保證零件精度和質(zhì)量的前提下，經(jīng)過(guò)對(duì)加工進(jìn)程的優(yōu)化和進(jìn)步單位時(shí)刻資料切除量來(lái)進(jìn)步加工功率和設(shè)備利用率、下降生產(chǎn)成本的一種高功能加工技能。在加工體系中，刀具是完成切削加工的工具，直觸摸摸工件并從工件上切去一部分資料，使工件得到契合技能要求的形狀、尺度精度和外表質(zhì)量。在整個(gè)加工進(jìn)程中，刀具直接與工件觸摸，會(huì)呈現(xiàn)嚴(yán)峻的刀具磨損現(xiàn)象，因而刀具也是加工進(jìn)程中的一大消耗品。刀具技能的內(nèi)涵包括刀具資料技能、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成形技能、刀具外表涂層技能等，也包含了上述單項(xiàng)技能歸納交叉形成的高速刀具技能、刀具可靠性技能、綠色刀具技能、智能刀具技能等。刀具作為機(jī)械制作工藝配備中重要的一類(lèi)基礎(chǔ)部件。

       刀具在切削進(jìn)程中承受深重的負(fù)荷，包括高的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、沖擊和振蕩等，如此惡劣的工作條件對(duì)刀具功能提出了高要求。挑選刀具資料、設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、開(kāi)展刀具涂層和高功能刀具技能成為進(jìn)步切削加工水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！斗蔷е袊?guó)工業(yè)開(kāi)展咨詢》主要從刀具涂層技能等方面對(duì)刀具進(jìn)行介紹，以促進(jìn)先進(jìn)刀具的開(kāi)發(fā)，為進(jìn)步制作技能水平發(fā)揮應(yīng)有的效果。

加工刀具的外表涂層

       刀具外表涂層以增效和延壽為目的，是將耐高溫、耐磨損的資料涂覆在刀具基體資料外表。涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了刀具的月牙槽磨損。涂層刀具具有外表硬度高、耐磨性好、化學(xué)功能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低一級(jí)特性?，F(xiàn)在，常用的刀具涂層辦法有化學(xué)氣相堆積法(CVD)、物理氣相堆積法(PVD)、等離子體化學(xué)氣相堆積法(PCVD)、熱噴涂法和離子束輔助堆積法(IBAD)，其中以PVD和CVD應(yīng)用為廣泛。

       刀具的涂層技能現(xiàn)在現(xiàn)已成為進(jìn)步刀具功能的關(guān)鍵技能。在涂層工藝方面，CVD依然是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝，在基體資料改進(jìn)的基礎(chǔ)上，使CVD涂層刀具的耐磨性和韌性都得到進(jìn)步。PVD相同取得了重大進(jìn)展，開(kāi)發(fā)了習(xí)慣高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，如納米、多層結(jié)構(gòu)等。等離子體化學(xué)氣相堆積法(PCVD)是將高頻微波導(dǎo)人含碳化物氣體發(fā)生高頻高能等離子，或者經(jīng)過(guò)電極放電發(fā)生高能電子使氣體電離成為等離子體，由氣體中的活性碳原子或含碳基團(tuán)在合金的外表堆積的一種涂層制備辦法。

非晶合金涂層的優(yōu)勢(shì)

       刀具涂層技能向物理涂層附加大功率等離子體方向開(kāi)展；功能薄膜向著多元、多層膜的方向開(kāi)展；并研討集硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、抗癢化性于一體且具有低內(nèi)應(yīng)力和高附著力的薄膜制備技能。圖(a)為多層涂層，其內(nèi)層的TiCN與基體有較強(qiáng)的結(jié)合力和強(qiáng)度，中心的Al2O3，作為一種有用的熱屏障可答應(yīng)有更高的切削速度，外層的TiCN保證抗前刀面和后刀面磨損才能，外一薄層金黃色的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態(tài)；圖(b)中納米涂層與傳統(tǒng)涂層比較，具有超硬度、超模量和高紅硬性效應(yīng)，并且顯微硬度可超過(guò)40GPa；圖(c)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層在強(qiáng)等離子體效果下，納米TiAlN晶體被鑲  

刀具的涂層技能

嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi)，當(dāng)AlTiN晶體尺度小于10nm時(shí)，位錯(cuò)增殖源難于啟動(dòng)，而非晶態(tài)相又可阻撓晶體位錯(cuò)的遷移，即使在較高的應(yīng)力下，位錯(cuò)也不能穿越非晶態(tài)晶界。這種結(jié)構(gòu)薄膜的硬度可以達(dá)到50GPa以上，并可堅(jiān)持適當(dāng)優(yōu)異的韌性，且當(dāng)溫度達(dá)到900—1100℃時(shí)，其顯微硬度仍可堅(jiān)持在30GPa以上。

       CVD和PVD涂層工藝技能和配備水平將得到進(jìn)一步提升和工業(yè)化。復(fù)合、梯度、多層、納米多層、納米非晶態(tài)復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層及薄膜多元化、個(gè)性化、涂層、晶粒大小可控化等功能可定制的涂層(如高速干切削復(fù)合涂層技能)將逐漸工業(yè)化。另一方面，針對(duì)廢舊刀具回收利用的退涂技能、重涂技能也將由于綠色環(huán)保逐漸得到重視。此外，刀具軟涂層方向的自潤(rùn)滑刀具作為可以完成干切削、準(zhǔn)干式切削(MQL)的技能途徑之一現(xiàn)已受到重視。

非晶合金涂層刀具的前景

       刀具的切削功能是刀具資料、幾何結(jié)構(gòu)和涂層相互組合的成果，新資料、立異的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和涂層可以促進(jìn)刀具功能的改進(jìn)。我國(guó)的刀具制作技能依然與先進(jìn)國(guó)家存在很大的差距，研討刀具技能火燒眉毛，特別是基礎(chǔ)資料和結(jié)構(gòu)立異，需要打破傳統(tǒng)思維，斗膽立異，尋求刀具技能的新出路。

      “非晶中國(guó)大數(shù)據(jù)中心”信息標(biāo)明：我國(guó)科學(xué)家在刀具上進(jìn)行非晶態(tài)復(fù)合涂層技能攻關(guān)，并現(xiàn)已開(kāi)端在企業(yè)試用，效果得到必定。未來(lái)，這將是非晶合金一個(gè)值得開(kāi)發(fā)的高段應(yīng)用市場(chǎng)。