干式切削及不同涂層材料刀具的選用

干切削是切削加工的發(fā)展方向

    就在二十年前，切削液曾是非常便宜，在大多數(shù)加工過(guò)程的成本中，其所占比例不到3%。以至沒(méi)有誰(shuí)會(huì)對(duì)此多加注意。可是，現(xiàn)在不一樣了，切削液在車(chē)間生產(chǎn)成本中所占比例上升為15%，這就不得不引起生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者的極大關(guān)注。

    特別是那些含油的切削液已經(jīng)成為一項(xiàng)很大的支出。更重要的是它的排放污染環(huán)境，國(guó)外環(huán)保部門(mén)要監(jiān)控這些混合制劑的處理。而且，許多國(guó)家和地區(qū)也把它們劃歸為危險(xiǎn)廢物，如果其中含有油和某些合金，還要采取更為嚴(yán)厲的控制措施。再有，許多高速加工工序加了切削液會(huì)產(chǎn)生煙霧，環(huán)保部門(mén)也限制切削液煙霧釋放量要在允許范圍內(nèi)，職業(yè)安全和職工健康管理部門(mén)為了降低切削液煙霧排放允許值，正在考慮一項(xiàng)咨詢委員會(huì)的建議。其中包括制定比較高的切削液的價(jià)格政策。因此，越來(lái)越多的廠家開(kāi)始采用干切，以避免這筆費(fèi)用和與切削液處理相關(guān)連的麻煩。

    以前，金屬加工行業(yè)使用切削液已形成"習(xí)慣"，所以推廣干式切削的主要障礙是這種習(xí)慣勢(shì)力，他們認(rèn)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(rèn)為變濕切為干切，費(fèi)用可能會(huì)更高。其實(shí)兩種看法都不對(duì)。對(duì)于多數(shù)金切件，干切應(yīng)該是"標(biāo)準(zhǔn)加工環(huán)境"。在高速下干車(chē)、干銑淬硬材料不僅可能，而且更經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵是要知道如何正確地選擇刀具、機(jī)床和切削方法。盡管切削液在有些場(chǎng)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(fā)展，情況也在不斷的變化。新的硬質(zhì)合金牌號(hào)特別是那些涂層牌號(hào)，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。事實(shí)上，對(duì)于間斷切削，切削區(qū)溫度越高，越不適合用切削液。

    先來(lái)看看銑削，假定切削液能克服高速旋轉(zhuǎn)的銑刀引起的離心力，那它在到達(dá)切削區(qū)之前也就已經(jīng)蒸發(fā)了，它的冷卻效果是很小的甚至沒(méi)有。而應(yīng)用切削液刀具會(huì)產(chǎn)生溫度的激烈變化，銑刀刀片自工件切出時(shí)冷卻，再切入時(shí)溫度又上升。盡管在干切削時(shí)也有類似的加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)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(chǎn)生應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

    類似的情況在車(chē)削中也會(huì)出現(xiàn)，例如用非涂層硬質(zhì)合金，在速度高于130m/min時(shí)，車(chē)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(xiàn)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(duì)于大多數(shù)車(chē)削加工，干切通常能延長(zhǎng)刀具壽命。

    然而，對(duì)于鉆削則是另一種情況。鉆削時(shí)切削液是必要的，因?yàn)樗�提供了�?rùn)滑和從孔中沖出切屑。沒(méi)有切削液，切屑可能粘在孔內(nèi)，并且表面粗糙度平均值(Ra)可能達(dá)到濕鉆時(shí)的兩倍。在這種情況下，切屑液也能減少所需的機(jī)床扭矩，因?yàn)殂@頭邊緣上與孔壁接觸的點(diǎn)得到潤(rùn)滑。盡管涂層鉆頭也能夠起到類似切削液的潤(rùn)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(lái)看，目前還不能完全代替切削液。用哪種型號(hào)的切削液要根據(jù)具體情況，潤(rùn)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(shí)比較好。而冷卻能力較高的切削液，可以增強(qiáng)易切削材料高速加工性能，可以用于有產(chǎn)生積屑瘤傾向或有嚴(yán)格的尺寸公差的情況下。

    可是許多時(shí)候用了切削液取得了某些效果，但它需要很高的額外費(fèi)用，也帶來(lái)非常有害的環(huán)境污染，這是不值得的。應(yīng)該看到，現(xiàn)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(shí)可以用壓縮空氣從切削區(qū)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(xiàn)今，切削液通常不再必要的重要原因是有了涂層。它們通過(guò)抑制從切削區(qū)到刀片(刀具)的熱傳導(dǎo)來(lái)減緩溫度的沖擊。涂層的作用就象一層熱屏障，因?yàn)樗�有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù)。因此，這些刀具吸收的熱量較少，能承受較高的切削溫度。無(wú)論是車(chē)削還是銑削，涂層刀具都允許采用更高效的切削參數(shù)，而不會(huì)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(shí)，經(jīng)受溫度變化的性能要好，這是因?yàn)檩^薄的涂層應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生裂紋。在快速冷卻和加熱時(shí)，厚的涂層就象玻璃杯極快地加熱冷卻一樣，容易碎掉。用薄涂層刀片進(jìn)行干式切削可以延長(zhǎng)刀具壽命高達(dá)40%，這就是物理涂層常用來(lái)涂圓形刀具和銑刀片的原因。PVD涂層往往涂得比化學(xué)涂層要薄，與輪廓結(jié)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(zhì)合金上，因此，它們更多地應(yīng)用于非常鋒利的刃口及大的正前角銑刀、車(chē)刀。

    金屬陶瓷比起涂層和非涂層硬質(zhì)合金，對(duì)斷裂和進(jìn)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(zhì)量要求較高時(shí)。理想的加工工序是切削那些連續(xù)的表面。

    車(chē)削碳鋼時(shí)，進(jìn)給量的上限通常是0.025英寸/轉(zhuǎn)(0.635mm/r)。一般用途的銑削，可以在高的主軸速度、中等進(jìn)給量的條件下進(jìn)行。如果滿足這些條件，在大量生產(chǎn)時(shí)金屬陶瓷能長(zhǎng)時(shí)間地保持鋒利的切削刃。如果金屬陶瓷是在傳統(tǒng)的切削速度和進(jìn)給量下使用，比起硬質(zhì)合金刀具能改善了刀具壽命和表面質(zhì)量，也能提高生產(chǎn)率，對(duì)于切削合金鋼時(shí)其提高幅度為20%，對(duì)于切削碳鋼、不銹鋼和軟鐵時(shí)為50%。

b.陶瓷

    陶瓷刀具類似于金屬陶瓷，它比硬質(zhì)合金有更高的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高的切削速度下進(jìn)行加工并持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。純氧化鋁可以耐非常高的溫度，但是它的強(qiáng)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(duì)破碎的敏感性，在企圖改善其韌性、提高耐沖擊性能時(shí)，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(zhì)合金還是低得多。

   另一個(gè)提高氧化鋁陶瓷韌性的方法是在材料中加入結(jié)晶紋理或碳化硅晶須，通過(guò)這些特殊的平均起來(lái)僅有1納米直徑，20微米長(zhǎng)很結(jié)實(shí)的晶須，相當(dāng)程度地增加了陶瓷的韌性、強(qiáng)度和抗熱沖擊性能。在組成上，晶須可高達(dá)30%。

    象氧化鋁一樣，氮化硅比硬質(zhì)合金有更高的熱硬性。它耐高溫與機(jī)械沖擊的性能也比較好。與氧化鋁陶瓷相比它的缺點(diǎn)是在加工鋼時(shí)它的化學(xué)穩(wěn)定性不很好。可是，用氮化硅陶瓷可在1450英尺/分(442m/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(yīng)用必須正確。例如，陶瓷刀具不能用于加工鋁，而對(duì)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�？墒菍�(duì)這些材料而言，應(yīng)用得成功還有賴于開(kāi)始切削之前刀具刃口外觀的準(zhǔn)備、機(jī)器和裝備的穩(wěn)定性和選用最佳的加工參數(shù)。

c.CBN

    CBN是一種非常硬的刀具材料，通常最好用來(lái)加工硬度高于RC48的材料，它有極好的高溫硬度--高達(dá)2000℃，盡管比硬質(zhì)合金要脆得多，比陶瓷耐熱性和化學(xué)的穩(wěn)定性要差，但是它比陶瓷刀具有較高的沖擊強(qiáng)度和抗破碎性能。對(duì)于切削淬硬金屬時(shí)，機(jī)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(fù)荷，間斷切削的沖擊以及精加工時(shí)的磨損和切削熱。

    對(duì)于要求嚴(yán)格的零件，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以提高機(jī)器和裝備的剛性。刃口倒鈍應(yīng)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(fù)荷、劇烈的間斷負(fù)荷下工作。這些特點(diǎn)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(dǎo)熱系數(shù)和高的壓縮強(qiáng)度，經(jīng)受得了由于高切削速度和負(fù)前角產(chǎn)生的切削熱。在切削區(qū)內(nèi)由于較高的溫度使工件材料軟化，有助于切屑的形成。負(fù)的幾何角度加強(qiáng)了刀具，穩(wěn)定了切削刃，改善了刀具壽命和允許在小于0.010英寸(0.254mm)的淺切深下進(jìn)行加工。

    在干式車(chē)削淬硬工件的情況下，由于CBN刀具可以加工出小于16微英寸(0.4µm)的表面質(zhì)量，并能控制±0.0005英寸(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(chē)削和高速銑削加工。而對(duì)于這個(gè)應(yīng)用范圍，陶瓷和CBN是重疊的。因此，進(jìn)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。

d.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(lái)自各金剛石晶體間無(wú)一定方位的粘結(jié)，這種晶體方位各異的排列抑制了裂紋的擴(kuò)展。使用時(shí)，將PCD小片粘結(jié)到硬質(zhì)合金刀片上，這可增加它的強(qiáng)度和抗沖擊性能，其刀具壽命是硬質(zhì)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(duì)黑色金屬中鐵的親和力，引起化學(xué)反應(yīng)，這種刀具材料只能用于加工非鐵零件。其二是PCD不能經(jīng)受切削區(qū)超過(guò)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(duì)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(dá)到最小。

刃口強(qiáng)化、刀具幾何參數(shù)與排屑

    盡管近幾年物理的進(jìn)步與應(yīng)用開(kāi)發(fā)，用金屬陶瓷、陶瓷、CBN和PCD制造的刀具仍然是比硬質(zhì)合金要脆得多，不能經(jīng)受太多的壓力，因此用這些材料制造的刀具必須結(jié)合其特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即對(duì)它加強(qiáng)支撐、分散壓力。

    這一點(diǎn)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(jīng)過(guò)加工——刃口準(zhǔn)備。有這樣三種刃口準(zhǔn)備而且其大小還要適當(dāng)：T型刃帶、強(qiáng)化、T型刃帶強(qiáng)化。

1.T型刃帶

    就是一個(gè)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(shè)計(jì)者的一個(gè)重要任務(wù)就是要找出最小的平面寬度和能賦予刀刃適當(dāng)強(qiáng)度和壽命的角度；因?yàn)榇蟮膶挾群图訌?qiáng)刀片的角度無(wú)疑會(huì)增切削力。

2.強(qiáng)化

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

3.T型刃帶強(qiáng)化

    當(dāng)強(qiáng)化用于倒棱的前面與后面相交處時(shí)，也能加強(qiáng)T型刃帶。在應(yīng)用中，微小的剝落發(fā)生時(shí)(就象用陶瓷刀粗車(chē)鋼)，強(qiáng)化能分散這些點(diǎn)上的壓力，沒(méi)有使倒棱變大而加強(qiáng)了刀具刃口。 

    刀具設(shè)計(jì)者除了針對(duì)工件確定最適合的刀具刃口外，還必須優(yōu)化刀具的幾何角度和排除切屑能力。通過(guò)增加后角來(lái)減小切削力和對(duì)刀具的壓力，也降低了切削區(qū)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(duì)鉆削和螺紋加工。 

    另一個(gè)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(jìn)給量減小，而不用增加進(jìn)給量的方式。此外，現(xiàn)在的銑刀比五年前要精確得多，銑床和車(chē)床的機(jī)械穩(wěn)定性、剛性也更高了，因而排除了可能的振動(dòng)。所有這些都有利于脆的、較硬和耐磨的刀具材料的應(yīng)用。

     應(yīng)用能抗高溫刀具的另一個(gè)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(qū)的材料成為可塑體，這樣就降低了切削區(qū)工件材料的強(qiáng)度。其結(jié)果是比普通粗加工金屬切除率增加三倍。因?yàn)檫M(jìn)給速度很高，刀具對(duì)金屬材料切除得非�？欤�以至大量的熱量停留在切屑中，沒(méi)有時(shí)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(guī)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(jī)床靜變形最小化。這樣的工序要求利用粗齒銑刀，低進(jìn)給和銑刀高轉(zhuǎn)速。由于夾持工件所需夾緊力小，工裝夾具可以簡(jiǎn)單。對(duì)于棱形工件有較寬敞的銑刀通道。

干式切削需要考慮的事項(xiàng)

    采用干式切削加工時(shí)，選定正確的機(jī)床和恰當(dāng)?shù)难b備是很重要的。因?yàn)樗俣忍貏e快，材料又常常較硬，干式切削加工時(shí)切削溫度很高，機(jī)床必須剛性足、馬力大。

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

    談到車(chē)床工近凈成型(nearnet shape)的和淬硬的零件，刀具轉(zhuǎn)塔可以對(duì)著機(jī)床剛性強(qiáng)的方向進(jìn)行加工，因?yàn)檫@個(gè)方向的長(zhǎng)導(dǎo)軌能把切削力分散。設(shè)計(jì)得好的機(jī)床，能直接在短導(dǎo)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(dòng)和支撐刀具。在相對(duì)于柔性更重視精度時(shí)，則應(yīng)該考慮用螺栓將一組刀具直接固定在橫拖板上避免回轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)。

    熱穩(wěn)定性對(duì)精度是非常關(guān)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(bǔ)償了溫度的影響。然而，控制溫度應(yīng)該從有效地排除熱切屑開(kāi)始，因此要排除密封的工作區(qū)內(nèi)部重要的熱源。

    優(yōu)秀的機(jī)床設(shè)計(jì)，機(jī)床里沒(méi)有那些能聚集切屑的洼坑和高臺(tái)。用排屑螺旋與傳送器盡快將切屑排出機(jī)床外，而不用切削液協(xié)助沖走。如果排屑出了問(wèn)題，用壓縮空氣取代液體。

    為了保護(hù)滾珠絲杠、導(dǎo)軌，伸縮套管，防護(hù)罩、密封條和灰塵收集器還是需要的。如果需要一臺(tái)干切削的機(jī)床，可以把原來(lái)設(shè)計(jì)好的機(jī)床從濕式切削操作轉(zhuǎn)變?yōu)楦墒角邢鞑僮�，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(tǒng)，比濕式切削加工相應(yīng)的油霧收集器和冷卻泵稍微貴些。

     干式切削加工操作成本也是比較低的，因?yàn)樗�避免了冷卻液的管理和處理費(fèi)用，其次是壓縮空氣耗電比冷卻泵要少。因此，干式切削的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。