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干式切削與干式切削刀具

發(fā)布時(shí)間:2013-08-20 瀏覽:

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干切削對(duì)刀具有更高的要求

，如刀具的材料

、刀具的結(jié)構(gòu)以及刀具涂層

。

　　在傳統(tǒng)的切削加工中

，濕切削中的切削液占有重要的地位，但也存在著許多弊端

。例如

，維持一個(gè)大型的切削液系統(tǒng)需花費(fèi)很多資金

，同時(shí)需要定期添加防腐劑

，更換切削液等，因而增加了許多費(fèi)用

，其費(fèi)用比例已占總生產(chǎn)成本的15%～17%

，而刀具成本通常只占總成本的2%～5%

。加之由于切削液中的有害物質(zhì)

，對(duì)工人的健康造成危害，造成環(huán)境污染等

。所以

，它的使用帶來了越來越多的問題

。從這些方面來說

，干切削具有更多優(yōu)勢。

　　干切削中的刀具應(yīng)有更優(yōu)異的耐高溫性能（熱硬性）和耐磨性能

，目前的刀具材料中，如新型硬質(zhì)合金

、陶瓷

、CBN和PCBN等有足夠的耐高溫磨損性能，能夠在干切削條件下使用

。而且，現(xiàn)代切削刀具材料應(yīng)用于高速加工時(shí)更適合干切削

。像CBN和先進(jìn)的硬質(zhì)合金材質(zhì)等級(jí)

，尤其是有涂層保護(hù)的刀具材料

，在高速高溫下不使用切削液實(shí)際上切得更有效率和壽命

。

　　干切削對(duì)刀具材料的要求

　　干切削的刀具材料必須要有優(yōu)良的熱硬性和耐磨性

，以可有效地承受切削過程的高溫

；較低的摩擦系數(shù)，以可降低刀具與切屑與工件表面之間的摩擦抑制切削溫度的上升

；較高的強(qiáng)度和耐沖擊性能

，以可承受更大的切削力和更差的切削條件。要實(shí)現(xiàn)干切削

，刀具材料有高的耐熱性能（熱硬性）和耐磨性能尤為必須。目前立方氮化硼（CBN）

、聚晶立方氮化硼（PCBN）

、金剛石、聚晶金剛石（PCD）

、陶瓷（A12O3

、Si3N4）

、金屬陶瓷（CERAMIC）

、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和硬質(zhì)合金涂層等刀具材料已廣泛用于干切削之中。伊斯卡近兩年開發(fā)了眾多可用于干切削的刀具材料：IB90及IB85

，CBN含量高達(dá)85%和90%

，刀片的耐磨性和韌性高，能應(yīng)對(duì)斷續(xù)切削所帶來的震動(dòng)

，推薦用于鑄鐵的高速切削及淬硬鋼的斷續(xù)切削及粗加工

。低CBN含量的牌號(hào)，IB55

，IB50

，CBN含量為50%和55%，更適合于半精加工及精加工

。IB10H屬于超細(xì)晶粒的CBN

，耐磨性和韌性更高，用于高速連續(xù)切削

，可獲得高的表面質(zhì)量

；IB20H細(xì)晶粒及中等晶粒CBN，用于連續(xù)-輕微斷續(xù)切削加工

；還有IB10HC、IB25HC和IB25HA涂覆TiN、Ti(C,N,O)和Ti(C,N)

，應(yīng)用于各種對(duì)應(yīng)的場合

。

　　特殊的刀具涂層

　　對(duì)刀具進(jìn)行涂層處理

，是提高刀具性能的重要途徑

。在有強(qiáng)韌的刀具基體表面涂覆耐熱和耐磨性能都很高的材料，使其在切削過程中在刀具與切屑之間增加了一道隔熱屏障

，阻止熱量傳遞到刀具基體減小刀具磨損和產(chǎn)生的熱量，并降低刀具/工件表面之間的摩擦系數(shù)

，起到一定的潤滑作用

，所以涂層刀具最適宜于干切削。比如A12O3

，是氧化鋁基陶瓷的基本成分，A12O3涂層具有良好的力學(xué)性能

，極好的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性

，因此，A12O3涂層刀片具有良好的抗月牙洼磨損能力

，較低的熱導(dǎo)率

，隨著溫度升高其熱導(dǎo)率降低

，這種特性在切削加工中

，可阻礙切削熱傳到刀具的切削刃，防止切削刃受熱發(fā)生塑性變形所導(dǎo)致突然失效

，伊斯卡通過中溫化學(xué)涂層（MTCVD）的α-TEC，優(yōu)化A12O3中有良好的氧化穩(wěn)定性和高的熱穩(wěn)定性的α相

，改進(jìn)A12O3多層涂層

。

　　一般來說，涂層分兩大類：一類是硬涂層

，即在表面上涂TiN、TiC

、TiCN

、TiA1N、A12O3

、CBN

、金剛石、類金剛石DLC

、納米材料等涂層

，這類涂層刀具涂層硬度高，耐磨性好

；另一類是“軟”涂層

，這類涂硫族化合物M0S2或WS2或TaS2等減摩涂層,顯著降低摩擦系數(shù)

，這類涂層刀具也稱“自潤滑刀具”

，此種涂層刀具在一定程度上彌補(bǔ)了無切削液的潤滑作用

，抵制切削溫度上升

，很適合干切削。伊斯卡的IC908

、IC907、IC903屬于硬涂層

，它們采用具有良好抗機(jī)械沖擊和熱沖擊性能的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金作為基體

，通過具有更低摩擦系數(shù)的PVD涂層工藝涂覆耐高溫材料TiAlN，抗氧化溫度高

，在切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生TiAlN膜

，具有較好的抗氧化性能，開始氧化溫度為700℃～800℃

，高于TiC

、TiN等涂層的氧化溫度。TiAlN在高溫時(shí)比TiN硬度高

，熱穩(wěn)定性好

，其高溫時(shí)產(chǎn)生的氧化膜?div id="jfovm50" class="index-wrap">？筛纳频毒吲c工件/切屑的摩擦

，減少熱量的產(chǎn)生，此外

，TiAlN涂層的熱導(dǎo)率也低于TiN等涂層，從而起到隔熱作用

，使刀具在干切削時(shí)能承受更高的溫度

。PVD-TiAlN涂層，硬度與TiCN

、TiN相當(dāng)

，而熱穩(wěn)定性溫度比TiCN和TiN高，達(dá)到1450℃

。這種TiAlN涂層隨A1含量的提高

，其硬度更高，抗高溫?cái)嗔研愿鼜?qiáng)

，有很高的硬度和耐磨性能,而氧化溫度不變。

　　近兩年來

，伊斯卡又采用超薄TiN和TiAlN對(duì)刀具進(jìn)行交替涂覆

，所涂覆的刀具具有粘附力強(qiáng)，耐熱性高和抗磨損性好等特性,聚集了TiN

、TiAlN以及TiNC等涂層的優(yōu)點(diǎn)，然后再用涂層后處理技術(shù)SUMO-TEC

，進(jìn)一步提高韌性和耐磨性

，降低表面摩擦系數(shù)，使得切削區(qū)域溫度更低

，抗崩刃性及抗積屑瘤性更佳

，從而在加工絕大多數(shù)被加工材料時(shí)均能獲得更可靠持久的刀具壽命

，刀片耐用度增加了20%～280%

。

　　刀具結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)

　　在刀具幾何結(jié)構(gòu)方面，干切削刀具設(shè)計(jì)應(yīng)力求遵循“低切削溫度”設(shè)計(jì)原則

，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮使加工過程中產(chǎn)生的熱量盡可能少，也就是說刀具結(jié)構(gòu)應(yīng)力求做到低切削力及低摩擦

。通常的刀具不能適應(yīng)干切削

，為此，干切削加工應(yīng)優(yōu)化刀具幾何參數(shù)

，即要求刀具具有較大的前角

，并配合適宜的切削刃形狀

，如伊斯卡各種銑削刀片的-PDR和-PDR HM槽型

，采用零度小菱刃和雙正前角設(shè)計(jì)，即減小了切削力又加強(qiáng)了刃口的強(qiáng)度和容熱性能

。

　　為減少切削熱

，伊斯卡在車刀片

、槽刀片和銑刀片前刀面上設(shè)置加強(qiáng)棱

，可以在接觸區(qū)形成鱗狀切削面

，刀具與切屑的接觸面積大大減小，絕大部分熱量被切屑帶走

，切削溫度比普通刀片大大降低，同時(shí)也增大了剪切角

，使刀具壽命顯著提高

。此外，考慮刀具表面的最大潤滑性

，防止積屑瘤的產(chǎn)生

，伊斯卡率先對(duì)刀體進(jìn)行了硬鎳渡層和含Ti渡層，大大提高了刀體表面的硬度和潤滑性

。刀具的排屑槽形輪廓也需考慮“低切削溫度”設(shè)計(jì)原則

，保證低摩擦切屑的流動(dòng)以減少加工中刀具與切屑間的摩擦，使排屑方便快捷

，減少熱量堆積

，為此

，伊斯卡在銑刀和槽刀領(lǐng)域采用立裝刀片結(jié)構(gòu)，避免排屑受到阻礙并增大刀體的排屑空間

。

　　干切削的未來

　　干切削加工不僅涉及到刀具材料

、刀具涂層、而且還涉及到刀具幾何結(jié)構(gòu)

、刀柄結(jié)構(gòu)、加工機(jī)床

、切削用量

、加工方式等各個(gè)方面。這需要研發(fā)新型刀具材料

，并注意刀具材料與工件材料的合理搭配以及干切削時(shí)防止對(duì)刀具材料與工件材料的擴(kuò)散

、粘結(jié)。

　　新型刀具材料研究主要集中在超硬刀具材料

，金屬陶瓷、陶瓷

、涂層

、性能優(yōu)異的高速鋼和硬質(zhì)合金等方面。伊斯卡尤其重視涂層刀具的研發(fā)

，因涂層刀具綜合了高的硬度及耐磨性

、高的耐熱性、高的韌性

、高的抗粘結(jié)性能

、高的化學(xué)穩(wěn)定性和低的摩擦系數(shù)，干切削技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于刀具涂層技術(shù)的開發(fā)

。

　　除了研究刀具材料的硬度、韌性

、熱穩(wěn)定性問題外

，還有不同刀具材料在干切削中的適應(yīng)性，不同被切削材料在干切削中的作用

、特點(diǎn)

、性能等。刀具幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

，刀片形狀及幾何參數(shù)的合理確定，對(duì)充分發(fā)揮刀具干切削性能非常重要

，所以伊斯卡也不斷的研發(fā)強(qiáng)度更高的刀片形狀和更牢靠的刀片夾緊方式

；考慮刀體質(zhì)量的分布調(diào)整的合理，使得刀體膨脹均勻等等

。對(duì)幾何參數(shù)而言

，我們強(qiáng)調(diào)小切削力低切削溫度原則

。

　　干切削是面向環(huán)境清潔的生產(chǎn)理念的具體體現(xiàn)

，它不僅降低了生產(chǎn)成本，促進(jìn)了刀具技術(shù)的進(jìn)步

，更帶來了一種嶄新的綠色制造技術(shù)

，是制造業(yè)終將追求的目標(biāo)

。

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