干式切削及其所用刀具材料的現狀

時間：2024-09-09 23:03:25 數控機床

干式切削及其所用刀具材料的現狀

　　干切削是切削加工的發展方向

　　就在二十年前，切削液曾是非常便宜，在大多數加工過程的成本中，其所占比例不到3%。以至沒有誰會對此多加注意。可是，現在不一樣了，切削液在車間生產成本中所占比例上升為15%，這就不得不引起生產經營者的極大關注。

　　特別是那些含油的切削液已經成為一項很大的支出。更重要的是它的排放污染環境，國外環保部門要監控這些混合制劑的處理。而且，許多國家和地區也把它們劃歸為危險廢物，如果其中含有油和某些合金，還要采取更為嚴厲的控制措施。再有，許多高速加工工序加了切削液會產生煙霧，環保部門也限制切削液煙霧釋放量要在允許范圍內，職業安全和職工健康管理部門為了降低切削液煙霧排放允許值，正在考慮一項咨詢委員會的建議。其中包括制定比較高的切削液的價格政策。因此，越來越多的廠家開始采用干切，以避免這筆費用和與切削液處理相關連的麻煩。

　　以前，金屬加工行業使用切削液已形成""習慣""，所以推廣干式切削的主要障礙是這種習慣勢力，他們認為切削液是取得良好加工表面、提高刀具壽命所必須的。也有許多人認為變濕切為干切，費用可能會更高。其實兩種看法都不對。對于多數金切件，干切應該是""標準加工環境""。在高速下干車、干淬硬材料不僅可能，而且更經濟。關鍵是要知道如何正確地選擇刀具、機床和切削方法。盡管切削液在有些場合還是需要的，可是研究表明：由于今天的刀具材料有了很大發展，情況也在不斷的變化。新的硬質合金牌號特別是那些涂層牌號，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。事實上，對于間斷切削，切削區溫度越高，越不適合用切削液。

　　先來看看削，假定切削液能克服高速旋轉的刀引起的離心力，那它在到達切削區之前也就已經蒸發了，它的冷卻效果是很小的甚至沒有。而應用切削液刀具會產生溫度的激烈變化，刀刀片自工件切出時冷卻，再切入時溫度又上升。盡管在干切削時也有類似的加熱和冷卻循環產生，但是加了切削液這種溫度變化要大得多。溫度急劇變化在刀片中產生應力，會導致裂紋的產生。

　　類似的情況在車削中也會出現，例如用非涂層硬質合金，在速度高于130m/min時，車削中碳鋼，刀尖切入工件不到40秒，然后暴露在冷卻液中，就能很明顯地表現出熱沖擊的損害。這種熱沖擊加快了月牙洼磨損和后面磨損，從而大大地縮短刀具壽命。對于大多數車削加工，干切通常能延長刀具壽命。

　　然而，對于鉆削則是另一種情況。鉆削時切削液是必要的，因為它提供了潤滑和從孔中沖出切屑。沒有切削液，切屑可能粘在孔內，并且表面粗糙度平均值(Ra)可能達到濕鉆時的兩倍。在這種情況下，切屑液也能減少所需的機床扭矩，因為鉆頭邊緣上與孔壁接觸的點得到潤滑。盡管涂層鉆頭也能夠起到類似切削液的潤滑效果，涂層還能減少切削力并能使磨擦阻力趨向最小。從總的效果來看，目前還不能完全代替切削液。用哪種型號的切削液要根據具體情況，潤滑性切削液用于低速加工難加工材料以及表面粗糙度要求較高時比較好。而冷卻能力較高的切削液，可以增強易切削材料高速加工性能，可以用于有產生積屑瘤傾向或有嚴格的尺寸公差的情況下。

　　可是許多時候用了切削液取得了某些效果，但它需要很高的額外費用，也帶來非常有害的環境污染，這是不值得的。應該看到，現代的切削刀具能承受更高的切削熱，具備高速切削所需的性能。必要時可以用壓縮空氣從切削區吹走熱的切屑，以取代切削液。

　　在干式切削中刀具材料的選用

　　1 高速干式切削最好的涂層是氮鋁鈦

　　現今，切削液通常不再必要的重要原因是有了涂層。它們通過抑制從切削區到刀片(刀具)的熱傳導來減緩溫度的沖擊。涂層的作用就象一層熱屏障，因為它有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導系數。因此，這些刀具吸收的熱量較少，能承受較高的切削溫度。無論是車削還是削，涂層刀具都允許采用更高效的切削參數，而不會降低刀具壽命。

　　涂層厚度在2到18µm之間，它在刀具性能方面起著重要的作用。較薄的涂層比厚的涂層在沖擊切削時，經受溫度變化的性能要好，這是因為較薄的涂層應力較小，不易產生裂紋。在快速冷卻和加熱時，厚的涂層就象璃杯極快地加熱冷卻一樣，容易碎掉。用薄涂層刀片進行干式切削可以延長刀具壽命高達40%，這就是物理涂層常用來涂圓形刀具和刀片的原因。PVD涂層往往涂得比化學涂層要薄，與輪廓結合得較牢固。另外，PVD涂層可以在低得多的溫度下沉積在硬質合金上，因此，它們更多地應用于非常鋒利的刃口及大的正前角刀、車刀。

　　雖然涂層材料氮化鈦，在所有涂層刀具中占有80%。然而在高速干式切削的情況下，最好的PVD涂層是氮鋁鈦(TiAlN)，它的性能在高溫連續切削時，優于氮化鈦四倍，例如用于高速車削。TiAlN涂層對于處在較高的熱應力條件下的刀具，也勝過其它涂層。象干式削及那些小直徑孔的深孔鉆削切削液難以到達的部位。

　　TiAlN在切削溫度下比TiN更硬，且具有熱穩定性，PVD涂層利用了它的抗化學磨損性能，它的硬度高達維氏3500°，它的工作溫度高達1470°F。材料科學家推測：這些性質可歸功于非結晶的氧化鋁薄膜，它是當高溫時涂層表面中的一些鋁氧化后，在切屑/刀具界面上形成的。

　　這項研究特意選用超薄多層PVD涂層，這種沉積過程產生的涂層由上百層組成，每一層僅有幾個納米厚。而一般的PVD涂層的沉積物只有幾層微米級厚度的涂層。

　　盡管PVD涂層有很多優點，但是對于加工大多數黑色金屬，CVD涂層仍然是更受歡迎。在CVD加工過程中，沉積溫度比較高有助于提高結合強度，并且允許基體中有較高的含量，這樣刀刃的韌性好，提高抗塑性變形的能力。由于CVD涂層比PVD涂層厚，就要求在它們的刃口處進行鈍化，以防止涂層剝落，同時也能有助于提高刀具的抗磨損性能。允許采用進給量可達0.035in./r(約0.9mm/r)。

　　CVD是在刀具上沉積一層有用的氧化鋁的過程，這是人們熟知的最耐熱和抗氧化的涂層。氧化鋁是不良導體，它把刀具與切削變形而生成的熱量隔開，促使熱量流到切屑中。這是一種極好的CVD涂層材料，主要用于在干切時使用的硬質合金車刀。它在高速切削時還能保護基體，是最好的抗磨料磨損和月牙洼磨損的涂層。

　　涂層刀片有較長的刀具壽命，它在干式削比濕式削更穩定。更高切削速度會使切削溫度進一步升高。例如，在14000r/min和1575in./min(約40m/min)的切削速度下干式切削加工鑄鐵，能把刀具前面的切削區加熱到600～700℃。其金屬切除率就類似于削鋁，這時在鑄鐵上產生的溫度就高于常規刀具。

　　2 金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD的選用

　　切削速度越高就要求刀具材料更耐磨，還要求具有較高的熱硬性。金屬陶瓷、立方氮化硼以及兩種適合精細加工需要的陶瓷--氧化鋁和氮化硅(現代術語""陶瓷""包含氧化鋁和氮化硅，而不象過去單指氧化鋁。)，它們的應用日漸普及。聚晶金剛石是另一種干式切削情況下使用的刀具材料。在所有這些材料中，它們都有較高的紅硬性和耐磨性，需要權衡考慮的是脆性較大。

　　金屬陶瓷

　　是一種先進的硬質合金。金屬陶瓷比常規硬質合金能承受更高的切削溫度，但是缺乏硬質合金的耐沖擊性、在中型到重型加工時的韌性、以及在低速大進給時的強度。金屬陶瓷在小的和不變的負荷時，也象常規硬質合金那樣，有差不多的刀刃強度。但是它在高切削速度下的耐高溫和耐磨性能更好，持續時間更長，加工的工件表面更光潔。當用于加工軟的和粘性的材料時，它也有較好的抗積屑瘤性能，表面質量很好。

　　較好的高溫硬度來自配料時加入的鈦的化合物。金屬陶瓷是硬質合金的一種型式，它含有堅硬的鈦基化合物(碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦)，粘結劑是鎳或鎳鉬。由于金屬型粘結劑的溫度局限性，典型的金屬陶瓷牌號，在加工的材料硬度超過HRC40時，不具備足夠高的熱硬性。金屬陶瓷比起涂層和非涂層硬質合金，對斷裂和進給引起的壓力更加敏感。因此，它最好用于高精度工件和表面質量要求較高時。理想的加工工序是切削那些連續的表面。

　　車削碳鋼時，進給量的上限通常是0.025in./r(約0.635mm/r)。一般用途的削，可以在高的主軸速度、中等進給量的條件下進行。如果滿足這些條件，在大量生產時金屬陶瓷能長時間地保持鋒利的切削刃。如果金屬陶瓷是在傳統的切削速度和進給量下使用，比起硬質合金刀具能改善了刀具壽命和表面質量，也能提高生產率，對于切削合金鋼時其提高幅度為20%，對于切削碳鋼、不銹鋼和軟鐵時為50%。

　　陶瓷

　　陶瓷刀具類似于金屬陶瓷，它比硬質合金有更高的化學穩定性，可在高的切削速度下進行加工并持續較長的時間。純氧化鋁可以耐非常高的溫度，但是它的強度和韌性很低，工作條件如果不好，容易破碎。為了減低陶瓷對破碎的敏感性，在企圖改善其韌性、提高耐沖擊性能時，加入了氧化鋯或加入碳化鈦與氮化鈦的混合物。盡管加入了這些添加劑，但是陶瓷的韌性比硬質合金還是低得多。

　　另一個提高氧化鋁陶瓷韌性的方法是在材料中加入結晶紋理或碳化硅晶須，通過這些特殊的平均起來僅有1納米直徑，20微米長很結實的晶須，相當程度地增加了陶瓷的韌性、強度和抗熱沖擊性能。在組成上，晶須可高達30%。

　　象氧化鋁一樣，氮化硅比硬質合金有更高的熱硬性。它耐高溫與機械沖擊的性能也比較好。與氧化鋁陶瓷相比它的缺點是在加工鋼時它的化學穩定性不很好。可是，用氮化硅陶瓷可在1450ft./min(約440m/min)或更高的速度下加工灰鑄鐵。

　　雖然使用陶瓷刀加工效率可以很高，但是應用必須正確。例如，陶瓷刀具不能用于加工鋁，而對灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬硬鋼和某些未淬硬鋼、耐熱合金則特別適合。可是對這些材料而言，應用得成功還有賴于開始切削之前刀具刃口外觀的準備、機器和裝備的穩定性和選用最佳的加工參數。

　　CBN

　　CBN是一種非常硬的刀具材料，通常最好用來加工硬度高于RC48的材料，它有極好的高溫硬度--高達2000℃，盡管比硬質合金要脆得多，比陶瓷耐熱性和化學的穩定性要差，但是它比陶瓷刀具有較高的沖擊強度和抗破碎性能。對于切削淬硬金屬時，機床剛性可以稍差。此外，一些特制的CBN刀具能抵御高功率粗加工的切屑負荷，間斷切削的沖擊以及精加工時的磨損和切削熱。

　　對于要求嚴格的零件，應對設備進行適當的調整，以提高機器和裝備的剛性。刃口倒鈍應足夠大以防止微觀剝落和使刀具基體上有一定厚度的CBN層，這就能使刀具在高速、重負荷、劇烈的間斷負荷下工作。這些特點使CBN成為粗加工淬硬鋼和珠光體灰鑄鐵所選用的刀具材料。

　　刀具帶有一薄層CBN是比較脆弱的，但是它用于加工淬硬的鐵合金又是比較好的刀具材料。CBN具有低的導熱系數和高的壓縮強度，經受得了由于高切削速度和負前角產生的切削熱。在切削區內由于較高的溫度使工件材料軟化，有助于切屑的形成。負的幾何角度加強了刀具，穩定了切削刃，改善了刀具壽命和允許在小于0.010in.(約0.254)的淺切深下進行加工。

　　在干式車削淬硬工件的情況下，由于CBN刀具可以加工出小于16µin.(約0.4µm)的表面質量，并能控制±0.0005in.(約±0.0127mm)的精度，因此常用它取代磨削工序。CBN刀具很適合淬硬車削和高速削加工。而對于這個應用范圍，陶瓷和CBN是重疊的。因此，進行成本效益分析是非常必要的，以確定哪一種材料將提供最好的效果。

　　PCD刀具

　　聚晶金剛石作為最硬的刀具材料，它是最耐磨的。它的硬度和耐磨性來自各金剛石晶體間無一定方位的粘結，這種晶體方位各異的排列抑制了裂紋的擴展。使用時，將PCD小片粘結到硬質合金刀片上，這可增加它的強度和抗沖擊性能，其刀具壽命是硬質合金的100倍。

　　然而，某些性能限制了它在很多加工工序的使用。其一是PCD對黑色金屬中鐵的親和力，引起化學反應，這種刀具材料只能用于加工非鐵零件。其二是PCD不能經受切削區超過600℃的高溫。因此，它不能切韌性、高延展性材料。

　　PCD刀具特別適于加工有色金屬，特別是對摩擦很厲害的高硅鋁合金。采用鋒利的切削刃和大正前角高效切削這些材料，使切削壓力和積屑瘤達到最小。

　　刃口強化、刀具幾何參數與排屑

　　盡管近幾年物理的進步與應用開發，用金屬陶瓷、陶瓷、CBN和PCD制造的刀具仍然是比硬質合金要脆得多，不能經受太多的壓力，因此用這些材料制造的刀具必須結合其特點進行設計，即對它加強支撐、分散壓力。

　　這一點很重要。例如，為了要改變磨削力的方向，使力從切削刃往里向著刀體，切削刃必須經過加工--刃口準備。有這樣三種刃口準備而且其大小還要適當：T型刃帶、強化、T型刃帶強化。

　　T型刃帶

　　就是一個倒棱--在刃口上磨出的窄的平面，以取代較脆弱而鋒利的刀刃。刀具設計者的一個重要任務就是要找出最小的平面寬度和能賦予刀刃適當強度和壽命的角度;因為大的寬度和加強刀片的角度無疑會增切削力。

　　強化

　　就是圓整一下鋒利的刃口。雖然強化不象T型刃帶那們有棱有角，但是強化對用于精加工的先進的刀片材料效果很好。這些強化刀具應該用于淺切深、低速進給、并保持切削壓力最小。

　　T型刃帶強化

　　當強化用于倒棱的前面與后面相交處時，也能加強T型刃帶。在應用中，微小的剝落發生時(就象用陶瓷刀粗車鋼)，強化能分散這些點上的壓力，沒有使倒棱變大而加強了刀具刃口。

　　刀具設計者除了針對工件確定最適合的刀具刃口外，還必須優化刀具的幾何角度和排除切屑能力。通過增加后角來減小切削力和對刀具的壓力，也降低了切削區的溫度。要使正前角盡可能地大，這樣由于較好的剪切作用能減少切削力。寬闊的容屑槽有助于切屑的排除，尤其是對鉆削和螺紋加工。

　　另一個使切削力降低的方法是在高速下切削。為了提高效率，寧可在很高的主軸速度下，把大的進給量減小，而不用增加進給量的方式。此外，現在的刀比五年前要精確得多，床和車床的機械穩定性、剛性也更高了，因而排除了可能的振動。所有這些都有利于脆的、較硬和耐磨的刀具材料的應用。

　　應用能抗高溫刀具的另一個有利因素是切屑形成有極高的效率。例如切削鑄鐵，熱量使切削區的材料成為可塑體，這樣就降低了切削區工件材料的強度。其結果是比普通粗加工金屬切除率增加三倍。因為進給速度很高，刀具對金屬材料切除得非常快，以至大量的熱量停留在切屑中，沒有時間傳到工件和使它變形。盡管切削溫度很高，工件溫升卻很小，比起在常規用量下切削所得到的工件精度也要高。

　　用低軸向力精加工也能使工件、夾具、機床靜變形最小化。這樣的工序要求利用粗齒刀，低進給和刀高轉速。由于夾持工件所需夾緊力小，工裝夾具可以簡單。對于棱形工件有較寬敞的刀通道。

　　干式切削需要考慮的事項

　　采用干式切削加工時，選定正確的機床和恰當的裝備是很重要的。因為速度特別快，材料又常常較硬，干式切削加工時切削溫度很高，機床必須剛性足、馬力大。

　　在加工中心上進行干式切削之前，操作者應該盡量保持其工具伸出長度較短，主軸是處在剛度最佳的情況下，還要考慮機床的速度、額定功率。

　　談到車床工近凈成型(nearnet shape)的和淬硬的零件，刀具轉塔可以對著機床剛性強的方向進行加工，因為這個方向的長導軌能把切削力分散。設計得好的機床，能直接在短導軌上分散這些切削力，并且刀架由最少的零件組成，卻能移動和支撐刀具。在相對于柔性更重視精度時，則應該考慮用螺栓將一組刀具直接固定在橫拖板上避免回轉分度機構。

　　熱穩定性對精度是非常關鍵的。一些制造商采用軟件提高了他們的加工中心的精度，這些軟件補償了溫度的影響。然而，控制溫度應該從有效地排除熱切屑開始，因此要排除密封的工作區內部重要的熱源。

　　優秀的機床設計，機床里沒有那些能聚集切屑的洼坑和高臺。用排屑螺旋與傳送器盡快將切屑排出機床外，而不用切削液協助沖走。如果排屑出了問題，用壓縮空氣取代液體。

　　為了保護滾珠絲杠、導軌，伸縮套管，防護罩、密封條和灰塵收集器還是需要的。如果需要一臺干切削的機床，可以把原來設計好的機床從濕式切削操作轉變為干式切削操作，通常也是比較便宜。需要添加的灰塵收集器和空氣傳送系統，比濕式切削加工相應的油霧收集器和冷卻泵稍微貴些。

　　用干式切削加工操作成本也是比較低的，因為它避免了冷卻液的管理和處理費用，其次是壓縮空氣耗電比冷卻泵要少。因此，干式切削的應用會越來越廣泛。

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