刀具的兩個適用性和一個匹配性

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：3044

刀具作為直接或間接安裝在機床上，用以完成工件加工任務的工具，我們必須考慮兩個適用性和一個協(xié)調性。即適用于所選用的機床，適用于所選用的工件，以及與加工任務相匹配。
首先是與機床匹配。
各位可能首先想到的，是外形和尺寸的匹配。
的確，外形和尺寸的匹配是刀具在機床上能夠正確安裝的基礎。沒有這個基礎，刀具無法被正確地安裝在機床上，因此也就談不上完成什么加工任務。
但是，僅有這一點是不夠的。
刀具在被安裝在機床上之后，是需要完成一定的加工任務的。在完成這個加工任務的過程中，需要保證加工精度、需要承受和傳遞切削力和切削扭距、需要完成切削熱的承受、傳遞和導出，需要考慮有可能的切削廢棄物(切屑和料頭)甚至是工件的傳輸，以及現代的刀具參數數字化傳遞等等。
這些任務有些雖然不是常見，確也是刀具可能承擔的任務。如果我們能夠在選擇刀具，考慮刀具與機床的匹配性方面一并考慮，會增加我們解決加工問題的思路。
保證加工精度、傳遞切削力和力矩、提供切削液的通道是我們目前在保證外形和尺寸的匹配后，經常會遇到的問題。例如在加工中心上，我們經常使用圓柱形(通常稱為直柄)作為夾持方式。那么就圓柱形的刀柄，除典型的完整的圓柱形外，還有一些在圓柱形上增加一些其它要素的變化，如削平型直柄(銑刀按直徑分為單削平面和雙削平面兩種，鉆削常見全削平面，都被稱為側壓式)，帶2°傾斜的斜削平式，帶扁尾的直柄(常用于鉆頭)，帶方身的直柄(常用于絲錐和鉸刀)等多種方式。
就這類刀柄與機床的聯結方式來說，只用圓柱部分定位、夾緊的也不在少數。各種壓力角的彈簧套系統(tǒng)，強力夾頭系統(tǒng)，液壓鎖緊系統(tǒng)、熱膨脹裝夾系統(tǒng)、力變形鎖緊系統(tǒng)等都是用于鎖緊圓柱刀柄的。但各種夾持方式各有優(yōu)點和缺點。就拿最常見的彈簧套系統(tǒng)來說，大的壓力角(此處將壓力角定義為錐面鎖緊的正壓力與圓柱軸線的夾角)，即大的錐角代表鎖緊行程較短，有利于快速地鎖緊與松開，但在相同的鎖緊力矩下分解到圓柱面上的正壓力較小，由此產生的摩擦力距小，能夠抵抗的切削力距也相應比較小，刀具易在刀柄中產生打滑的現象，影響加工過程的平穩(wěn)性和加工表面質量；同時此類夾頭可夾持的刀柄直徑變化范圍較大，有利于減少彈簧套的庫存，優(yōu)化管理。而小的壓力角就相反。小的壓力角的彈簧套可夾持的刀柄直徑范圍較小，夾緊時的鎖緊行程較長，不利于快速夾緊與松開，但其夾持精度稍高，夾緊力大，能承受更大的切削載荷。
液壓鎖緊系統(tǒng)是一種新興的夾持系統(tǒng)，它利用高粘度液壓油的不可壓縮性使刀具夾持腔的內壁發(fā)生彈性變形，從而鎖緊刀具。液壓鎖緊系統(tǒng)的精度高，鎖緊與松開不需要專門的器械從而顯得比較方便，鎖緊力矩通常也優(yōu)于彈簧套系統(tǒng)，但其內壁只能在彈性變形的范圍內工作。一旦超出此范圍，內壁就會出現不可逆轉的塑性變形，就會造成該刀柄裝夾腔的永久性失效。因此，削平型刀柄，尤其是鉆削刀具常用的全削平型刀柄是不能在液壓鎖緊系統(tǒng)中使用的�？涨皇〾�、刀柄未插到容腔底部等，也是會導致該系統(tǒng)損壞失效的常見原因。
熱膨脹裝夾系統(tǒng)則通常需要專用設備，這樣的設備以能控制加熱、冷卻按多種預定模式進行的為佳。非專業(yè)的加熱設備(甚至火焰加熱)也許可以使用，但常常由于溫度和加熱曲線不能得到良好的控制而對刀柄的其它部分受到影響，甚至改變其金相組織，從而使系統(tǒng)很快失效。另外就是熱膨脹裝夾系統(tǒng)的刀具長度難以調整，需要專門的輔助工具，這給在需要多刀具同步工作的場合增添了一些麻煩。
在另一方面，刀具夾持方式也可能決定著生產效率的可能值。
圓柱刀柄和液壓、熱膨脹都是可以適應較高轉速的平衡設計，而削平型的裝夾卻是一種典型的非平衡設計，刀具廠商都將其列入不推薦用于高速切削的行列。
就刀柄本身而言，在被銑(或磨)去一部分材料形成壓力面時，刀柄部分的重心即與刀具的回轉中心不重合了。在刀具夾緊的過程中，削平柄被鎖緊螺釘推向已經偏離中心的那一側，刀具的重心將進一步偏離刀具在機床上的回轉中心，這些都增加了刀具的不平衡。加上一些使用者在原始的鎖緊螺釘損壞或遺失后隨意配上一個螺釘，長度等往往沒有在意，這樣的行為也給刀具的平衡性能增加了不確定性。因此，削平型(包括斜削平)都不建議在高速下使用。
但削平型是帶有強制驅動性質的刀柄，它較純圓柱完全依靠摩擦力傳動在高扭距下更為可靠。因此，在粗加工(粗加工一般扭距大，但轉速較低)時還是比較合適的。
其次，是刀具與被加工工件的適用性。
這其中包含的內容比較多。

  1. 適用于加工工件的材料和力學條件
    刀具上最重要的基本點是刀尖。所謂刀尖，從定義上是主、副切削刃的交點。而主切削刃是前刀面與主后刀面的交線，副切削刃是前刀面與副后刀面的交線；因此刀尖實際上也是前刀面、主后刀面、副后刀面三個面的交點。加上工作狀態(tài)，它與工件接觸的點也是在工件上已加工表面和切削平面(又稱過渡表面)的交線上。因此，它實際上是五個面和兩個刃的匯集點。
    但是，本文說將的刀尖，要比上述定義的范圍大一些，它是指上述概念“刀尖”及其刀具上鄰近該“刀尖”的周邊地區(qū)。
    構成這個刀尖切削性能的，有三個主要因素：基體材料、表面狀態(tài)、幾何形狀。這三者以及它們的交互作用，基本上決定了這個刀尖具有什么樣的切削性能。
    基體材料：現在許多刀具都具備了涂層，但基體材料仍然對刀尖的性能發(fā)揮著非常重要的作用。涂層通常很薄，大部分的涂層的厚度在3～25µm(約人類頭發(fā)的健?倍)，其能夠直接承受的切削力和切削熱還是很有限的，大部分的切削力、切削熱要依靠刀具的基體材料來承受。目前主要用于刀具基體材料的，有高速鋼、鎢基硬質合金 (即平時就稱為硬質合金的)、鈦基硬質合金(平時許多人稱之為金屬陶瓷)、陶瓷(氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、混合陶瓷等)、立方氮化硼(CBN)、人造金剛石(PCD，德文縮寫為PKD)幾大類。目前以硬質合金最為常用。





 










含富鈷層技術的肯納刀片材質

鎢基硬質合金分為鎢鈷類硬質合金和鎢鈷鈦類硬質合金兩個大類(參見漫筆硬質合金的發(fā)明一文)。鈷在硬質合金中所起的作用是粘結相，因此，基體材料的鈷含量越高，在同等條件下就抗沖擊能力越強。而碳化鎢、碳化鈦等是硬質相，硬質相越多，基體材料的硬度就越高。因此，通常精加工時由于加工余量均勻，一般沖擊較小，可選用含鈷較少的硬質合金，刀具的耐磨性也比較好；而粗加工時則經常會面對余量不均勻的情況，宜采用含鈷量較高的硬質合金，這樣對防止粗加工時刀具的突然崩刃，發(fā)揮刀具應有的耐用度還是很有意義的。

 











a)細顆粒硬質合金KC635M

b)超細顆粒硬質合金KC637M
硬質合金細顆粒化

基體材料近年來的一個技術進步是富鈷層技術。采用富鈷層技術的硬質合金是通過一定的工藝，使硬質合金中的鈷相對向表層集中，這樣硬質合金的中心部分就有更高的硬度，而表面因具有更多的鈷而韌性更強。切削中切屑的沖擊主要是發(fā)生在表層，采用富鈷層的刀具更能夠抵御這樣的沖擊。
基體的另一個主要變化在于細顆�；�。在相同或相近的化學成分下，顆粒細化能明顯提高硬質合金的強度。我個人認為，從某種方面看，硬質合金的強度分析與砂輪的強度分析頗有相似之處。硬質合金刀具的強度實際上也是有兩方面構成的，一是硬質相本身的強度，即硬質相抵御外力破壞的能力，另一方面是粘結相保護硬質相不致脫落、位移的能力。細化的硬質合金首先是由于硬質相顆粒的細小化，致使其破壞的臨界外力增加了。好比我們要扳斷一支粉筆很容易，而要扳斷一個粉筆頭卻要困難得多。
刀具涂層：有資料說，所有切削刀具中70-80%都是涂層刀具。涂層改善了所有切削刀具基體材料的切削性能：高速鋼(HSS)、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、超硬材料等等。
刀具為什么需要進行涂層？它的主要作用包括以下幾個方面：

  • 延長刀具壽命

    • 抗磨粒磨損

    • 抗月牙洼磨損

    • 防止積屑瘤的產生

    • 提高加工效率



  • 通常以通過提高切削速度的方式實現

  • 改善工件表面光潔度


通常的刀具涂層分為化學涂層(CVD)和化學涂層(PVD)兩大類別�；瘜W涂層主要用于涂覆碳化鈦(TiC)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦(TiN)、三氧化二鋁(Al2O3)、金剛石(Diamond)等，而物理涂層可涂的種類繁多，如氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、氮鋁化鈦(TiAlN)、二硼化鈦(TiB2)、氮化鋯(ZrN)、氮化鉻(CrN)，還有鋁含量比氮鋁化鈦更高的氮鈦化鋁(AlTiN)，用鉻來代替鈦的氮鉻化鋁(AlCrN)等等。另外還有一些如中溫化學涂層(MT-CVD)的碳氮化鈦(TiCN)，一些等離子技術的化學涂等等。
近年來，相比化學涂層而言，物理涂層的發(fā)展很快，新的涂層品種層出不窮。但是在常規(guī)的鋼鐵加工中，三氧化二鋁(Al2O3)涂層依然是絕對的主力。就目前的技術而言，要想取得耐熱性能優(yōu)越的Al2O3膜層，尤其是穩(wěn)定的a相Al2O3，化學涂層還是最好的選擇。目前各家刀具制造廠商都在致力于在保證涂層結合力的前提下努力增厚Al2O3膜層的厚度，改善涂層與基體結合力、改善多層涂層的層間結合力、改善表層涂層與工件的接觸，甚至設法控制膜層的晶粒按事先選定的方向成長。2006年9月，我曾陪同《工具技術》主編辛節(jié)之先生和《機械工人(冷加工)》主編王天諶先生采訪肯納金屬旗下金屬加工解決方案和服務集團(Metalworking Solution & Server Group, MSSG)的副總裁伯納德·諾斯(Bernard North)時，諾斯先生談到肯納金屬的涂層厚度已經可以達到約30µm，而他們正式推向市場的經過升級的KC9110的涂層厚度達到了24µm。由于類似這種涂層技術的突破，客戶應用KC9110這種牌號的平均切削速度由5年以前的約為250m/min提高到平均320m/min。
山高刀具則發(fā)表了他們研究和改善涂層晶核形成的成果。山高刀具認為，最優(yōu)化的成核作用使得磨損性能顯著提高，而且這些種類的a-Al2O3層通常由相對較小的、表現為無孔隙度的無缺陷顆粒組成。<1 0 1 4>結構的a-Al2O3層表現出最佳的耐磨性。山高新的a基Al2O3鍍層DurAtomic"的制造水平達到原子級。結果使機械和熱特性超過所有目前生產的Al2O3的能力。與傳統(tǒng)生產的Al2O3相比，DurAtomic"鍍層表現出更高的耐久性/韌性、杰出的耐熱/耐磨性、化學惰性，并因此減少有關積屑瘤形成的傾向。山高的a基Al2O3鍍層DurAtomic"似乎是拋棄了最外表層覆蓋TiN膜層以方便識別磨損的定律，以讓a-Al2O3鍍層能夠達到更厚的厚度。從山高提供的資料看，DurAtomic"的膜層確實也是具備很強競爭力的。
但是化學涂層由于涂層溫度較高(約900～1000℃)，基體與膜層間會出現一種脆性的η相，同時由于基體與膜層兩者熱膨脹系數不同而在高溫下導致涂層中裂紋的產生。η相對涂層的結合力起著負面作用。微小的少量表面裂紋對刀具切削時是否具有負面作用雖然還沒有確實的證據支持，但至少是涂層表面裂紋擴展的一個隱患。因此，德國豪澤涂層技術公司與瓦爾特合作開發(fā)了在較低的溫度下用物理涂層的方法制備Al2O3膜層的技術。對于這種技術，其Al2O3膜層的金相組織、穩(wěn)定性等情況我都還不得而知，但據瓦爾特(無錫)有限公司技術總監(jiān)鄂有鵬先生介紹，該涂層在加工不銹鋼和難加工材料方面的表現，還是可圈可點的。
據我所知，就改善涂層與刀具基體材料的結合力而言，涂前的處理非常重要。良好的表面處理不僅能改善涂層附著強度，使表面更光滑，還有助于減少積屑瘤的產生，微崩刃，降低切屑流動的危害。而我們國內有些刀具制造企業(yè)在涂層前不做認真、仔細的處理，這就降低了涂層與刀具之間的結合力，使涂層刀具原來應該有的優(yōu)點不能完全發(fā)揮出來。
刃口幾何形狀：刀具刃口的幾何參數是決定刃口性能的另一個重要的因素。刀具的幾何形狀不僅包括前角、后角、斷屑槽形，還包括負倒棱、修光刃、鈍化、拋光這些細部結構。刀具的切削性能通常是由基體、表面技術、刃口幾何形狀三者的交互作用形成的，因此刃口的幾何形狀常常能夠彌補刀具基體材料或者是涂層的某些不足。
由于刀具的幾何形狀包含了很多的因素，有些關系還比較復雜，一些對此沒有研究的往往不認識其中的奧秘，以為憑借一些新的材料技術或涂層技術就能在技術上戰(zhàn)勝對手，這未免將問題看得過于簡單。
十年前，我剛加入瓦爾特不久，在一個客戶那里遇到了一個棘手的問題。這個客戶有一個鑄鋼的零件需要加工，使用的是帶刀片的玉米銑刀。當時在瓦爾特中國的一個德國人去作了兩次試刀，刀片都被打飛了�？蛻舻牡毒呦牧繉ν郀柼睾苡形Γ郀柼赝ㄟ^一些努力后客戶的主管工程師同意再給瓦爾特一次機會，但要求瓦爾特首先要把原來沒有成功的那把玉米銑刀試下來，否則沒有什么可能。
壓力很大。
我首先分析了加工狀況。那個鑄鋼件加工的是一個半封閉的內腔，有一處是三個平面的交匯處。這個地方的工況很是不妙。鑄鋼件的兩個內平面相交處有過渡圓角，而那個地方是三個兩兩垂直的平面交匯，因此由三個過渡圓角合成了一個實際余量很大的局部區(qū)域。德國技師的兩次試刀，都是切到這個地方刀片因承受不了過大的局部余量而粉身碎骨。因此，如何對付這一拐角將是我選擇刀具的主要考慮。
我認為從刀具選擇上，德國技師所選的基體材質和涂層都沒有什么的異議。WAP35是瓦爾特銑刀材質上韌性非常好的一種，即使改選韌性可能略有改善的WTP35，這種狀況也很難有根本性的改變。
我把目光移到了幾何槽形上。
瓦爾特的銑刀片中，有一種槽形的代碼是“D51”。其中的“1”樣本上的解釋是帶減振結構。什么樣的結構能夠減震？我在大學學習的專業(yè)是“金屬切削刀具設計與制造”，按我所學的切削原理，所謂的減震結構，應該是在刀具上的消振棱。
一般刀具技術人員比較熟悉的是負倒棱，對消振棱有所了解的可謂少之又少。負倒棱是在刀具前刀面上靠近切削刃的地方制出一條窄的，前角明顯小于主前角(常常為負值)的棱；而消振棱則是在刀具后刀面上制出的一條窄的，后角遠遠小于刀具主后角(常常為負值)的棱。設計消振棱的主要作用是讓消振棱在已經加工完成的工件表面上起“熨燙”的作用，增加阻尼，以此來減輕甚至消除振動。
因此，雖然消振棱的主要作用是減振消振，但由于其采用負后角的形式，實際上也增強了切削刃的強度，有利于抵抗由于局部余量增大的切削力。
同時，我在使用時還適當降低了切削速度。當時客戶該工序使用山特維克可樂滿的一款玉米銑刀，切削速度是30m/min左右，而瓦爾特的德國技師卻根據樣本把切削速度提高許多(第一次超過150m/min，第二次約100m/min)，我認為是沒有根據用戶的實際條件照搬樣本所犯的錯誤。
經過這一槽形的選擇和切削參數的調整，試刀成功了。后來客戶刀具工程師告訴我這一刀片比他們原來使用的山特維克可樂滿的那款刀片壽命高了4倍。我很清楚，就技術水平而言，當時山特維克可樂滿的刀片在基體材料和涂層方面決不會輸給瓦爾特那么多，而瓦爾特的這種帶消振棱的槽形起了關鍵的作用——至少當時山特維克可樂滿不具備帶消振棱的銑刀片

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