用陶瓷機床刀具適應難加工材料加工

 美國TNG公司正在面臨閥門切槽應用中硬質合金刀片壽命不統一的問題。Greenleaf公司的Ring Max API環形槽刀配備有WG-300晶須補強陶瓷機床刀具，利用該槽刀能幫助TNG公司縮短一個環形槽切削所花的時間，可從45?min縮短至僅僅28s。

該公司大部分工作都需要準時完成，并且需要達到嚴格的質量控制要求，這使得其員工需要進行大量的加班工作。這種局面在很大程度上都是因使用常規硬質合金刀片，加工油田應用閥門組件中的凹槽所帶來的挑戰而造成的。

       改為使用陶瓷機床數控套刀前，TNG公司使用1963年生產的人工普通車床，利用硬質合金刀片在直徑為3.125in的閥體上加工出兩個API環形槽，其中每個環形槽需花10～15min完成加工。但是，由于經常要求切削難以加工的材料，如Inconel，因此真正的挑戰在于對這些閥體重新進行調質。例如，在比API規格大0.1875in的鑄鋼基座材料中開槽之后，將閥門送至焊接部門進行Inconel包覆加工。在該部門，工藝涉及到使用平面切槽刀具開出平直平面凹槽，之后使用API環形切槽刀具。這只能通過在軸向上進入切槽0.100?in之后按正徑向和反徑向加工只凹槽的全寬度實現。之后，機械師將刀具再推進0.050in，在兩側之間調節，與之前的徑向切槽的寬度相匹配。重復按這些微小增量推進，直至達到完整的切削深度為止。一名經驗豐富高效的機械師如TNG的首席機械師Cimaron Hylton能在約45min內加工完一個凹槽。

   由于刀具壽命經常不可預測以及生產時間長，TNG公司轉向使用Greenleaf公司的陶瓷刀片。在環形槽應用中，該公司決定使用配備有WG-300晶須補強陶瓷刀片的Ring Max API環形槽刀具。Greenleaf公司的Ring Max環形槽刀具產品線專為油氣行業而設計，經過工程加工，可縮短API環形槽的加工時間，而WG-300的基本理念涉及到通過極強、剛性和碳化硅晶體或“晶須”對硬質陶瓷基體進行加強。晶須擴散到細晶粒氯氧化鋁基體中，它們的表現如同玻璃絲在玻璃纖維中的表現，可起到增加抗拉強度和提高脆性基體的斷裂韌性。

       盡管WG-300專為用于鎳基和鈷基超合金的高表面速度下的沖擊和磨損抵抗能力而設計，但該等級刀片可完美適應TNG的應用，在該應用中，可在Hwacheon Vesta 1050B數控加工中心銑削車床上以相對較低的額定馬力(20?hp)加工材料。

       陶瓷機床刀具在再調質應用中才真正表現出其實力。Hylton表示，在進行Inconel合金鍍層之后，他銑削了在凸緣上方凸出的焊縫，并繼續使用Ring Max刀具，在僅僅28?s內就完成了環形槽的切削。由于環形槽加工是一個連續切削過程，因此使用了貫通主軸的冷卻劑。冷卻劑不是用來冷卻刀片的，而是使金屬屑變得更加脆性和破裂為更小的碎片，優勢是幾乎能變成粉末狀。

       TNG還使用陶瓷刀片用于其主營加工任務，即切削使用410不銹鋼制成的帶有Stellite包覆層的閥座。據Hylton表示，凹槽貫穿Stellite合金之后貫穿熱影響區以及到達基底材料，要求切削40～67HRC的材料，因此該應用非常具有技巧性。

  圖2 每個閥體都具有兩個環形槽，在再調質應用過程中光這些特征就需要花費2h在人工普通車床上生產出來

       利用硬質合金刀片，Hylton表示他必須以0.005in深度的增福為步長逐步切削，以保持刀刃完整。另外，由于刀具壓力巨大，設置到啄式周期內的回退量必須必比通常值大。在本例中，刀具工件界面實際表面比實際車床位置要遠0.010in。在各次啄式加工之間需要0.012?in的緩沖量，這樣就將實際進給行程增加到1.498?in，這意味著機床總進給量必須為凹槽實際深度的六倍。由于需要進行啄式加工，因此加重了此工藝的慢速性質。

       另一問題是該機床的速度較低。其并沒有為高效加工材料所有層所需的必要的力矩，并且還會產生噪音，Hylton經常利用此工藝過程中的三個硬質合金刀片，這要求他停止、拉動刀片、更換刀片并重新開始加工。整個切槽工藝完成需花費47min至1h。更糟的是，刀片有時會隨機地斷裂，根本就沒有一貫性可言。

       現在，TNG公司利用配備有Greenleaf公司的新型Xsytin-1陶瓷刀片和支撐刀刃的平面切槽刀具。據Greenleaf公司稱，Xsytin-1是一種相位增韌陶瓷刀片，展現出了比傳統陶瓷刀片技術更廣泛的材料應用前景，彌合了用于特殊材料以及更常規金屬，如碳鋼和不銹鋼的常規硬質合金和陶瓷刀片之間的差距。

       Greenleaf公司表示，其為此無涂層刀片開發的相位增韌陶瓷制造工藝能生產出可預測的、耐磨損和耐熱沖擊的刀片，強度是WG-300晶須刀片的兩倍。其還實現了更鋒利的刀刃的生產，從而降低了刀具壓力并改善了表面精加工效果。

       凹槽能一次性成型，從而也消除了Hylton的緊張。TNG公司開始使用陶瓷平面切槽刀具時，Hylton表示他很緊張。他對Greenleaf公司的代表表示了對其建議的切削速度的質疑。但是，當他看到Stellite合金像粉末一樣被切削下來時，他的緊張立刻消失了。陶瓷平面切槽刀具可在30～40?s內對凹槽進行切削。

       Hylton注意到當凹槽加工完成后，Xsytin-1刀片表現出了少得多的損傷，因此他使用了WG-300批次刀具后，打算放棄Ring Max轉而使用新型刀片。

       雖然陶瓷刀片可能用于一個以上的凹槽，但他表示，在每次凹槽加工后他都更換刀片，到安全一側。但是即使以每個刀片一個凹槽的加工速度，陶瓷刀片的可預測性和長度也讓他印象深刻。實際上，由于在考慮時間節省因素的情況下陶瓷刀片在價格上與硬質合金刀片相當，因此，他沒有嘗試將刀具壽命都寄托在平面切槽加工上。