干切削加工.doc

干切削加工刀具及其设计1.概述随着环境保护法律法规越来越严格，国外在汽车以及中小型制造业中，干切削的应用越来越广泛，目前在西欧已有近一半企业采用了干式切削加工，德国企业尤为普遍。日本的生产设备市场杂志选出的1997年日本工厂自动化行业的国内十大新闻中就包括“保护环境的加工技术具体化”。由此可见：干切削加工技术将成为未来加工技术的发展方向之一。 干切削并不是简单地取消切削液就能实现，有意义且经济可行的干切削加工要求仔细分析特定的边界条件和掌握干切削加工的复杂因素，并为干切削工艺系统的设计提供所需的技术数据。干切削加工刀具工作条件恶劣，寿命缩短。因此，须合理选择刀具材料及涂层，设计合理的刀具几何参数。本文分析干切削加工的特点，提出了干切削对刀具的具体要求，讨论了干切削刀具的设计要点。 2.干切削加工对刀具的要求干切削加工就是要在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同或相近的切削条件。因此，对刀具提出了更高的要求。 1. 刀具应具有优异的耐高温性能 目前的刀具材料，如新性能硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等有足够的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。此外，最有效的方法就是对刀具进行涂层。涂层在切削过程中的作用如同在刀具与切屑之间增加了一道力和热的隔离层，可阻止将热量传递到刀具基体，因而能保证刀具切削刃锋利，使刀头硬度不会很快下降，可大大提高其耐高温性能。生产实践证明，尽管在干切削中还不能将切削区产生的热量完全随切屑排出，但只要合理选择刀具几何形状、切削参数，将能使绝大部分切削热随切屑排出，取得良好的加工效果。 2. 2. 切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小 干切削加工时，在切削区产生的高温产生化学不稳定性、刀具与切屑之间的摩擦增大、排屑速度减慢，极易产生积屑瘤，加剧刀具磨损。因此，须减小切屑和刀具之间的摩擦系数，最有效的方法就是进行刀具表面涂层，并设计排屑良好的刀具结构。如大螺旋角TiAlN涂层丝锥就是具有这种性能的干切削刀具。 3. 3. 刀具的结构要能快速排屑 干切削加工中，为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具能快速排出切屑，使传入工件和刀具的热量大大减少。 4. 4. 刀具应有更高的强度和耐冲击韧性 选择适宜于干切削的刀具材料，如超细晶粒硬质合金、陶瓷和金属陶瓷刀具材料、金刚石和CBN等，也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层，如TiAlN涂层、TiCN涂层、TiAlN+MoS2涂层、类金刚石DLC（Diamond-Like-Carbon）涂层等。金刚石和CBN可用于干切铸铁、过共晶铝合金、各种钢和钛合金等。3.干切削刀具设计要点及应用3.1干车(铣)刀具设计要点 干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中刀具与切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角。但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配合以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，使刀尖和刃口有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，减缓冲击和月牙洼扩展，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的强度。此外，配合大的刀尖前角和刀尖后角，可使刀具刃口楔角增大，减少刀具与已加工表面之间的接触长度，有效降低后刀面的磨损和破损几率。 图1干铣刀片的几何形状 图2干切削和普通切削的加工过程比较采用如图1所示的几何形状刀片，可大大减小刀具与切屑之间的接触面积，使切屑带走大量热量。图2为干切削和普通车、铣的加工过程示意图。由图可见，当切屑流过普通刀片前刀面时，由于接触面积大，传入刀具的热量多，从而产生月牙洼磨损，降低刀具寿命；而采用图1所示的刀片，刀具前刀面上有加强棱，刀具与切屑的接触面积也大大减小，绝大部分热量被切屑带走，切削温度可比普通刀片降低约400，同时也增大了剪切角，使刀具寿命显着提高，可允许采用更高的切削速度，提高了生产效率，若保持普通的切削速度，则刀具寿命可提高34倍。 对于陶瓷刀具，由于脆性较大，因此，可以选用T型或双T型棱面，或者研磨，或几种方法组合。如美国Valenite公司推荐将0.530的T型棱面用于Al2O3+TiC刀片，干式加工淬硬钢，并尽量采用大的余偏角。根据不同刀片几何形状，半精车时的刀具余偏角为-530，常用的刀片几何形状是正方形、三角形和80菱形。 对CBN刀具，倒棱太大，加工淬硬钢时，在刀具与工件接触处产生高温使刃口很快磨损。因此，一般不采用大倒棱，刃口可采用斜面或倒圆及负前角，尽可能大的余偏角。建议取值范围为：(1525)0.25mm的T型倒棱，再进行0.010.03mm的研磨。3.2干式螺纹加工刀具设计要点 目前，在用丝锥攻丝时，以采用含有机氯化物抗极压的乳化液效果最好。但有机氯化物对环境污染很大。德国Emuge螺纹刀具厂为减少环境污染，研制开发了生态有利丝锥，它可在较广范围的材料上攻丝而无须切削液。为了完成干式攻丝，在丝锥参数设计时必须考虑： 1. 有小的摩擦阻力，以获得尺寸准确和表面粗糙度值小的螺纹； 2. 槽型设计应使切屑易于卷曲，并自由离开螺孔； 3. 对丝锥表面进行涂层处理，以获得理想的表面状态，减小切削应力，保护丝锥。这种丝锥的尺寸范围有两种，即M5M10的加强柄尺寸系列和M12M20的尺寸系列。 干切削加工钢件螺纹的丝锥其槽型通常为螺旋槽，加工通孔螺纹和盲孔时的螺旋角大小不同。如加工盲孔螺纹时，往往采用35的大螺旋角；当孔深大于2倍丝锥直径时，可采用小螺旋角，通常5，此时丝锥切削锥部长度为C/23牙。而干切削加工铸铁螺纹时，无论是通孔还是盲孔，丝锥槽型均为直槽，其切削锥部长度为C/23牙。对于小直径丝锥，为了提高强度和刚度，其槽型也可设计成特殊形状，如无槽挤压丝锥。无槽挤压丝锥用于加工小直径螺纹或塑性较大材料上的螺纹是非常有效的。干切削加工丝锥通常均需进行涂层处理，常用的涂层有TiN或TiCN。 图3干式与湿式加工比较 加工条件：M61G7P通孔螺纹工件材料：锌钢板，螺纹长度3.2mm底孔直径：f5.55mm,切削速度：15m/min 试验条件：M50.8丝锥工件材料：纯铝Ly-2螺纹孔形状：盲孔，螺纹长11mm底孔直径：4.2mm(切削)，4.5mm(挤压)切削速度：15m/min(切削)， 10m/min(挤压)机床：AG32 除此之外，笔者对在A3、45钢等薄板件(厚2mm以下)上加工螺纹的工艺进行了探讨，采用了新型底孔成孔工艺，并成功地应用了干式切削及挤压螺纹工艺，采用专门设计和制造的底孔成型刀具和涂层挤压丝锥可使底孔和螺纹的加工同时完成，避免了原有工艺需要焊接螺母或设计制造专用模具冲孔的麻烦，解决了长期困扰汽车、钣金等行业的薄板件螺纹加工工艺，并有优异的加工效果。 4.结语刀具干切削加工一方面要选择合理的刀具材料并进行适宜的表面涂层；另一方面须具有合理的刀具结构参数。根据国外成功应用实例并结合笔者的研究表明：只要条件选择适当，在我国现有技术条件下，它的干切削加工是可以实现的。 干切削加工是一种理想的绿色制造工艺方法。虽然目前干切削加工的应用范围不是很广泛，但对它的研究却已成了目前的热点之一。国外的应用研究比较广泛，主要是迫于有关法律法规的严格要求和对干切削加工前景的看好，某些成功应用示范，推动了干切削加工技术的发展。国内对干切削加工目前尚有不同看法，但从发展的角度看，干切削的应用是必然的趋势。本文作者:合肥工业大学机械系刘志峰原载:制造技术与机床1999年第8期干切削的若干问题干运转仅仅20年前，切削液是便宜的且占多数加工过程的比重少于3%。所以很少有机械加工厂对它们关注很多。在那时以后随着时间的推移发生了戏剧化的变化：如今的切削液费用估计达每年几十亿美圆且占生产成本高达15%。现在，机加工行业无时不刻都在为他们的切削液担忧。切削液，尤其是那些含油的，已成为巨大的负担。不管某种切削液有多安全和环保，政府法令仍将要求你从倾倒到池里的那一刻起进行特殊处理。即使你的当地政府允许你从桶中倾倒清洁的不含油的合成液到排水沟，一旦它同在机床里夹杂油和金属碎屑混合物它就变成一种受控的工业废料。不仅美国环境保护局管理这种混合物的处理，而且许多州和地方政府也已把它们作为有害废物进行分类并如果它们含油和某些合金强加严格控制。因为很多高速加工和切削液喷嘴产生细油雾或工人能呼吸到的气溶胶，政府机构还限制空气里切削油雾的允许量。提高机加工企业计划成本和责任更多，环境保护局已经计划更严格的针对控制这些空气里的微粒的标准。职业安全和健康管理局也正在考虑一个咨询委员会推荐通过一个最大值到0.5mg/m和作用水平到0.25mg/m的法令来限制较低的切削液气雾的允许暴露量。维护、记录存档和遵循现行和计划的规定所产生的成本正迫使切削液的价格迅速上涨。大型工厂支付从几万到几十万的资金来维护切削液和只要有可能就安装和使用合适的附件和油雾收集器以及切屑、碎屑和用过的切削液的处理来推迟它们的处理。其结果是很多机加工企业正在就通过干切削来避免费用和伴随切削液产生的副作用展开讨论。虽然大多数工厂可能承认有消灭切削液的愿望，但他们不能确定能做得到。他们相信要获得更高的速度和切削更硬的材料他们必须使用切削液来维持竞争力是必要的。很多从湿式加工转变到干加工的可见成本也是高的。如今都不成为问题。实际上，在很多加工中常规操作应该是干加工。再者，干车硬材料和高速干铣削不仅是可行的而且是有利可图的。其技巧是正确集成刀具、机床和切削技术。切削液有损害而没有帮助更多采用干切削最大的障碍之一是切削液对于取得较好光洁度和更长刀具寿命是必要的传统认识。虽然现实中对于许多应用仍然是必要的，但是研究表明有了现代切削刀具材料和当今更高的切削速度就不是这样的。先进的硬质合金材质等级，尤其是有涂层保护的，在高速高温下不使用切削液实际上切得更有效率。实际上在断续切削时切削区温度越高，切削液越变得不合适。这种似乎是跟直觉相反的趋势的原因在于切削区变得非常热，通常超过摄氏1000，尤其是在高速切削和硬材料切削时。举例来说，假定切削液能克服铣刀高速旋转产生的离心力，切削液在到达切削区之前早已汽化并对那里几乎没有冷却作用。结果是有一个在当刀片切入切出时产生先天的温度波动更明显的区别。随着刀具的旋转当刀片切出时冷却，然后在切入时再一次被加热。虽然在干加工时也发生加热和冷却循环，但是当有切削液时温度波动更大。跟着发生的热冲击会在刀片上产生应力并会过早地破裂。相似的结果也在车削时发生。譬如当在切削速度高于130m/min时切削碳钢，暴露在冷却液里不涂层硬质合金刀片能承受显着的热冲击少于40秒。这种冲击通过轻微增加前刀面磨损和剧烈的后刀面磨损戏剧性地缩短刀具寿命。因为大多数生产车削少于40秒，对于刀具寿命来说干车通常是更可取的。另一方面，在钻削时为了提供润滑和把切屑从孔里冲出来切削液通常是必须的。没有切削液，切屑会堵在孔里，而且平均表面粗糙度Ra是湿式加工的两倍。切削液通过润滑边缘碰到孔壁的钻尖也能降低必要的马达扭矩。虽然涂层钻头在某种程度上会加倍切削液的润滑效果，但是降低切削力的涂层最可能的趋势是把摩察降到最低。 因为还没有用于预测切削液效果和性能的科学模型，是否采用干切削你必定取决于具体的案例。润滑液通常针对低速加工、难加工材料、难加工和表面光洁度有要求，而一个有高冷却能力的切削液会提高高速加工、易切材料、简单加工、积屑瘤问题和紧尺寸公差加工的表现。然而很多时候切削液提供的额外性能并不值得额外的开销。在越来越多的应用中，切削液简直是不必要的或彻头彻尾有害的因为现代切削刀具适合更高的温度而且压缩空气能从切削区域带走热切屑。涂层处理热量涂层是当今使切削液通常不需要的另一个原因。它们通过抑制从切削区到刀片或刀具的热传递来控制温度波动。涂层的作用象热障，因为它有比刀具基体和工件材料低很多的热导性。因此涂层刀片和刀具吸收较少的热量并能承受更高的切削温度，这意味着更在车削和铣削不牺牲刀具寿命的前提下更高速的切削。厚度范围在2到18m的涂层在刀具性能里扮演一个重要的角色。因为薄涂层比厚涂层在快速冷却和加热过程中引起更低的应力并且不易破裂，对于断续切削这个厚度带宽较薄的一端承受温度波动更佳。厚涂层经受相同的应力，当你加热或冷却太快时容易破裂。因此，用薄涂层刀片干加工通常延伸刀具寿命达40%。这是为什么圆刀片和铣刀片代表性地用物理气相沉积(PVD)的一个重要原因。和相对应的化学气相沉积(CVD)相比PVD涂层更薄，粘着力更佳。除了更薄，它们的沉积温度要低很多。所以在车削和铣削刀具发现更多使用锋利切削刃和大的正前角。虽然氮化钛(TiN)占所有涂层刀具的80%，氮铝化钛(TiAlN)作为针对高速精加工的最佳PVD涂层出现了。象高速车削那样的连续高温切削时它超过TiN性能的3倍。在象干铣和小直径深孔钻削由于切削液很难渗透等高热应力工况下它也胜出很多。在切削温度下TiAlN比TiN更硬，它是目前最热稳定和抗化学磨损的PVD涂层。其硬度高达3500HV，而且它的工作温度高达华氏1470。虽然没有人知道为什么会如此，但是科学家猜想这些特性来自一种当某些高温下涂层表面氧化时在切屑-刀具接触面形成的非晶质的氧化铝膜。应用更薄的多层PVD涂层使其更适合于干加工的研究正在进行。这种沉积工艺建立一种由数百层仅几纳米厚的涂层构成。相反，传统PVD工艺由几层微米级的涂层沉积而成。尽管对PVD涂层有强烈的兴趣，与之相对应的CVD对于大多数黑色金属工件材料来说一直是受欢迎的。CVD工艺很高的沉积温度有助于粘着并且允许基体生成强化刃口和帮助基体抵抗变形的富钴区。由于它们比PVD涂层更厚，因此需要对切削刃更重的珩磨来防止象墙角厚层涂料的剥落那样的开裂。这个设计也抗磨好且能在进给量超过0.076mm/r到0.89mm/r下工作。CVD也是唯一有用的已知的最佳抗热和氧化磨损的氧化铝涂层沉积工艺。氧化铝导热差，因此隔离切屑形成过程中产生的热量并迫使热量流入切屑。使得它成为硬质合金里最适合干加工的优异的CVD涂层。在高速下它保护基体，是抗磨料磨损和月牙洼磨损的最佳涂层。先进材料喜欢干加工虽然涂层材质等级有更好的刀具寿命且在干铣加工时比湿式加工更可靠，但是对于高速加工的要求使切削温度超越硬质合金刀具的经济极限。譬如在14000r/min和线速度400m/min下干加工灰铸铁，刀具前面的切削区能加热到600到700之间。金属切除率同那些用更传统技术铣削铝接近，但是对于传统切削刀具来说加工灰铸铁产生的温度太高。因此，更高的切削速度将要求有更高红硬性更耐磨的切削刀具材料。金属陶瓷、立方氮化硼(CBN)和两种陶瓷(氧化铝和氮化硅)很适合这种要求。(今天，术语陶瓷包括氧化铝和氮化硅两种，而不是过去仅指的氧化铝。)虽然不是针对黑色金属材料，聚晶金刚石(PCD)也是一种适合干加工刀具材料。然而，在所有材料里权衡更大的红硬性和抗磨料磨损性能的后果是易碎性。金属陶瓷，一种先进的硬质合金。举例讲，金属陶瓷同传统硬质合金相比能在更高的温度下工作，但不如硬质合金耐冲击、中等到重载下的韧性和低进给和高进给时的强度。然而，金属陶瓷在同传统硬质合金一样的轻载下具有大致相等的刃口强度并在更高的切削速度下承受温度和磨损更好，持续时间更长且表面光洁度更佳。对于延展性好的和粘的材料，在抗积屑瘤形成和生成表面良好光洁度方面金属陶瓷也表现更好。更好的红硬性来自组成刀具材料的钛化物。金属陶瓷，一个陶瓷和金属的首字母缩略字，是一种包含硬的钛基化合物(碳化钛、碳氮化钛和氮化钛)的烧结碳化物，它是以镍或镍钼做粘接剂而不象制造传统硬质合金那样用钴做粘接剂。由于金属粘接剂的温度限制，典型的金属陶瓷材质等级的红硬性不能用于加工硬度超过40HRC的材料。金属陶瓷也对破坏和进给引起的应力要比涂层和不涂层硬质合金敏感得多。因此，它在需要高精度和良好光洁度并工作在高切削速度、低进给、小切深的加工时表现最佳。理想的加工操作是那些切削时没有严重断续的情况。对于车削碳钢进给的上限通常是0.63mm/r，并且主轴高速且合适进给下的普通铣削也能处理。如果保持在这些操作限制内，大量生产情况下金属陶瓷能在很长时间里保持锋利的切削刃。虽然金属陶瓷能在传统速度和进给下仅通过提高硬质合金的刀具寿命和光洁度而值得使用，但它能通过在加工合金钢提高20%速度和加工碳钢、不锈钢和球墨铸铁提高50%速度而提高生产率。陶瓷，是刀具材料的一个分支。陶瓷切削刀具同它们相对应的金属陶瓷相似，对工件材料化学稳定性好，刀具寿命长而且能在高速下切削。纯氧化铝有极高的热阻抗但强度和韧性低，如果工况不佳的话较低的强度和韧性的组合会似得它容易破坏。为了使它对破裂敏感性降低，刀具制造商要么添加少量氧化锆来提高韧性，要么混入20%到40%的碳化钛和氮化钛来提高抗冲击性和热导性。但是，韧性仍然要比硬质合金低很多。另外一种提高氧化铝韧性的方法是植入碳化硅加强物的晶隙或晶须。虽然这些晶须典型的平均直径只有1m, 长度是20m，但它们很牢固并明显地增加韧性和抗热冲击性。晶须最多能占到总量的30%。和氧化铝相象，氮化硅在比硬质合金能承受的温度更高的条件下维持良好的红硬性，并且它能承受的热冲击和机械冲击更好。同氧化铝相比它的主要缺点是加工钢件时化学稳定性没有氧化铝好。尽管如此，氮化硅能以线速度435m/min干式加工灰铸铁，氮化硅通常被用于加工这样的工件。虽然使用陶瓷刀具金属切除率能很高，但应用必须是正确的。举例讲，陶瓷刀具加工铝并不好，但加工灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢以及耐热合金等效果很好。但是即使是在这些材料里，用得是否成功取决于刃口修磨、刀具对工件的表现、机床和夹具的稳定性、使用正确的操作和优化的加工参数。CBN，硬度排在金刚石之后。CBN是一种仅次于金刚石的极硬的刀具材料，通常材料硬度大于48HRC时工作最好(加工软材料时CBN磨损很快)。温度高到2000是还有极佳的红硬性。虽然和硬质合金相比更脆且导热性和化学稳定性低于陶瓷，但它有比陶瓷刀具更高的冲击强度和抗破裂性而且对于刚性较低的机床也能切削硬金属。更进一步，恰当的定制CBN刀具能承受大功率粗加工的切削载荷、断续切削的击打和精细加工所需的热和磨损性能。对于指定工序恰当的定制包括机床和夹具的刚性、刃口修磨大到足以防止显微剥落，而且刀具的基体是一种CBN含量高的材质等级。CBN含量高的材质等级对这些指定工序是必须的，因为它们具有刃口重载条件下高速加工要求的高导热性和韧性以及用于严重断续切削。这些性能使得这种材质等级的刀具材料被用作粗加工淬硬钢和珠光体灰铸铁。CBN含量低的材质等级和CBN含量高的相比更脆，但它们用于淬硬黑色金属加工更好。它们的更低的热导性和相对更高的承受高速切削和负前角所产生热量的抗压强度。切削区更高的温度软化工件材料和帮助断屑，而负前角强化刀具，使切削刃稳定，提高刀具寿命，并允许比0.25mm小的切深。因为CBN刀具能获得优于0.4m的表面光洁度并保持同轴度0.012mm，干车淬硬工件通常是一种有吸引力的替代肮脏的强化冷却的磨削加工方案。虽然CBN是一种硬车和高速铣特别喜欢的刀具材料，但陶瓷和CBN的应用范围有惊人的重叠，故而很必要用成本-效益分析来决定谁能得到最优结果。PCD加工有色金属表现突出。作为目前最硬的切削刀具材料，合成聚晶金刚石承受磨料磨损最佳。其硬度和耐磨性来自晶体各向异性和金刚石颗粒之间牢固结合阻止破裂扩展。把PCD刀头焊到硬质合金刀片上增加强度和抗冲击性并能延长刀具寿命高达100倍。然而，其它特性阻止它使用在多数加工操作上。其一是PCD和黑色金属里的铁有亲合性，由此而来的化学反应使得这种刀具材料限制在有色金属应用上。另外一个受限制的特性是它无法承受超过600摄氏度的切削区温度。结果是PCD不能切韧的抗拉强度高的工件材料。尽管这样，PCD加工有色金属时表现很好，最突出的是在加工耐磨高硅铝合金时。锋利的切削刃和大正前角对高效地剪切这种材料和切削力最小化以及抑制积屑瘤来说是关键的。在加工耐磨有色金属材料所表现出化学稳定性高和耐磨性好，它能保持利于剪切所必须的锋利切削刃。强化切削刃，减轻载荷尽管自从推出后它们的物理性能提高以及应用领域的发展，由金属陶瓷、陶瓷、CBN、PCD做成的刀具仍然比硬质合金更脆并且不能承受同样大的应力。因此，由它们做成的刀具需设计成能增强支撑和释放应力。一个设计这种刀具的重要部分是切削刃的磨削，它使得切削力偏离刀片刃口改变方向到它的基体。三个这样的刃口修磨是恰当的：负倒棱、珩磨、珩磨的负倒棱。负倒棱象切削刃的一个倒角状的平面，它取代薄弱锋利的刀尖。这里刀具设计人员的目标是发现使保证切削刃足够的强度和寿命的最小带宽和角度，因为宽度和角度增大后刀片得到强化但也增加了切削力。珩磨用于钝化锋利的切削刃。虽然它们不提供象负倒棱相同的抗微崩保护作用，但珩磨对由先进材料制作的小切深小进给以保持最小切削力的精加工刀片很有效。珩磨也能强化前、后刀面相交处负倒棱的作用。当用陶瓷粗车钢件发生微崩时，珩磨能释放该处的应力、强化刀片而不要加宽负倒棱。除了指定针对某个加工的最佳刃口修磨，刀具设计人员也必须优化切削角度并能排屑。通过加大后角降低切削力让刀具上的应力减少并降低切削区的温度。正前角的数值尽可能大，靠更好的剪切作用也减少切削力并加宽卷屑槽空间靠加大排除路径帮助切屑排出，特别是在钻削和螺纹加工时。保持低的切向切削力的另一种方法是高速切削。在很高主轴转速下的高进给率降低而不是增加对工件的冲击多达75%到90%，这取决于刀具和加工参数。更进一步，干加工改善切削过程的热稳定性；铣刀比五年前至少有更准确的大小；而且现代铣削和车削机床变得刚性越好足以消除过度的振动。所有这些发展都支持使用脆但更硬更耐磨的刀具材料。使用一种能承受高温的刀具的好处之一是切屑形成十分有效。举例来讲，加工铸铁时热量增加切削区材料的塑性并降低它的屈服强度。其结果是金属切除率比传统粗加工增加3倍。因为进给率高，刀具剪切切屑快以致大部分热留在切屑里而没有时间流向工件并引起扭曲。尽管切削温度很高，但工件的热稳定性更好而且要比在传统金属切除率条件下更精确。低冲击的精加工也使工件、夹具和机床以及在高线速度下以每转更低的进给使用安装小刀片低密度材料的刀盘的静态变形达到最小。因为支撑工件只需很低的夹紧力，所以夹具能做得简单，不需要一个加强筋、工件支撑和夹紧元件的复杂系统。结果是机床对箱体零件的各个面进刀更多。是不是机床喜欢干加工指定和装备合适的机床也是这个战略的一个重要部分。由于速度通常很快、材料通常很硬、切削温度很高，所以机床一定要刚性好功率大。因此，对加工中心讲使用者应该努力缩短刀具悬伸并除了看速度和功率显示外还要判断主轴内在刚性。在车床上切削接近成型的和淬硬的零件，解决了切削力问题刀塔能靠机床刚性实现很长的切削行程。一台设计良好的机床将解决那些沿着短的直接通路的力并且包含尽可能少的移动和支撑刀具的机床零件。在权衡精度和柔性后，你也许认为直接装在横刀架的刀具组能消除回转分度机构。这种设计使刀具悬伸短，平衡作用到导轨上的切削力并使支撑面最小化。对精度来说热稳定性也是关键的。所以一些机床制造商用软件补偿热膨胀的办法改进他们的加工中心的机械部分性能。然而，控制温度变化将开始有效地外排热切屑来消除工作系统内部的重要热源。好的机床设计将没有积聚切屑的腔和托盘而是有不靠切削液帮助就能排出干切屑螺旋推运器和切屑运送装置。如果流体的协助是必需的话，考虑使用空气替代流体。为了保护滚珠丝杠、导轨和操作工吸入空气里的灰尘，伸缩盖、罩、密封和吸尘器也是需要的。从湿式加工转变到干切削的机床设计是可行的，买一台干加工的机床总体来讲费用较低、问题更少。它的吸尘器和压缩空气输送系统也比相对应湿式加工需要的油雾收集器和冷却泵便宜。运行成本也由于干加工消除冷却液管理和处理费用而垂直下降。更进一步，干加工使你从现在和将来的切削液使用责任规章制度解放出来。原载:山高中文上载于:2004-3-12 13:53:56 声明: 切削技术网站刊载此文不代表同意其说法或描述，仅为提供更多信息。 版权所有：切削技术网站 /建议请联络：干式切削及其所用刀具材料的现状干切削是切削加工的发展方向就在二十年前，切削液曾是非常便宜，在大多数加工过程的成本中，其所占比例不到3%。以至没有谁会对此多加注意。可是，现在不一样了，切削液在车间生产成本中所占比例上升为15%，这就不得不引起生产经营者的极大关注。特别是那些含油的切削液已经成为一项很大的支出。更重要的是它的排放污染环境，国外环保部门要监控这些混合制剂的处理。而且，许多国家和地区也把它们划归为危险废物，如果其中含有油和某些合金，还要采取更为严厉的控制措施。再有，许多高速加工工序加了切削液会产生烟雾，环保部门也限制切削液烟雾释放量要在允许范围内，职业安全和职工健康管理部门为了降低切削液烟雾排放允许值，正在考虑一项咨询委员会的建议。其中包括制定比较高的切削液的价格政策。因此，越来越多的厂家开始采用干切，以避免这笔费用和与切削液处理相关连的麻烦。以前，金属加工行业使用切削液已形成习惯，所以推广干式切削的主要障碍是这种习惯势力，他们认为切削液是取得良好加工表面、提高刀具寿命所必须的。也有许多人认为变湿切为干切，费用可能会更高。其实两种看法都不对。对于多数金切件，干切应该是标准加工环境。在高速下干车、干铣淬硬材料不仅可能，而且更经济。关键是要知道如何正确地选择刀具、机床和切削方法。尽管切削液在有些场合还是需要的，可是研究表明：由于今天的刀具材料有了很大发展，情况也在不断的变化。新的硬质合金牌号特别是那些涂层牌号，在高速、高温的情况下不用切削液，切削效率更高。事实上，对于间断切削，切削区温度越高，越不适合用切削液。先来看看铣削，假定切削液能克服高速旋转的铣刀引起的离心力，那它在到达切削区之前也就已经蒸发了，它的冷却效果是很小的甚至没有。而应用切削液刀具会产生温度的激烈变化，铣刀刀片自工件切出时冷却，再切入时温度又上升。尽管在干切削时也有类似的加热和冷却循环产生，但是加了切削液这种温度变化要大得多。温度急剧变化在刀片中产生应力，会导致裂纹的产生。类似的情况在车削中也会出现，例如用非涂层硬质合金，在速度高于130m/min时，车削中碳钢，刀尖切入工件不到40秒，然后暴露在冷却液中，就能很明显地表现出热冲击的损害。这种热冲击加快了月牙洼磨损和后面磨损，从而大大地缩短刀具寿命。对于大多数车削加工，干切通常能延长刀具寿命。然而，对于钻削则是另一种情况。钻削时切削液是必要的，因为它提供了润滑和从孔中冲出切屑。没有切削液，切屑可能粘在孔内，并且表面粗糙度平均值(Ra)可能达到湿钻时的两倍。在这种情况下，切屑液也能减少所需的机床扭矩，因为钻头边缘上与孔壁接触的点得到润滑。尽管涂层钻头也能够起到类似切削液的润滑效果，涂层还能减少切削力并能使磨擦阻力趋向最小。从总的效果来看，目前还不能完全代替切削液。用哪种型号的切削液要根据具体情况，润滑性切削液用于低速加工难加工材料以及表面粗糙度要求较高时比较好。而冷却能力较高的切削液，可以增强易切削材料高速加工性能，可以用于有产生积屑瘤倾向或有严格的尺寸公差的情况下。可是许多时候用了切削液取得了某些效果，但它需要很高的额外费用，也带来非常有害的环境污染，这是不值得的。应该看到，现代的切削刀具能承受更高的切削热，具备高速切削所需的性能。必要时可以用压缩空气从切削区吹走热的切屑，以取代切削液。在干式切削中刀具材料的选用1 高速干式切削最好的涂层是氮铝钛现今，切削液通常不再必要的重要原因是有了涂层。它们通过抑制从切削区到刀片(刀具)的热传导来减缓温度的冲击。涂层的作用就象一层热屏障，因为它有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数。因此，这些刀具吸收的热量较少，能承受较高的切削温度。无论是车削还是铣削，涂层刀具都允许采用更高效的切削参数，而不会降低刀具寿命。涂层厚度在2到18m之间，它在刀具性能方面起着重要的作用。较薄的涂层比厚的涂层在冲击切削时，经受温度变化的性能要好，这是因为较薄的涂层应力较小，不易产生裂纹。在快速冷却和加热时，厚的涂层就象玻璃杯极快地加热冷却一样，容易碎掉。用薄涂层刀片进行干式切削可以延长刀具寿命高达40%，这就是物理涂层常用来涂圆形刀具和铣刀片的原因。PVD涂层往往涂得比化学涂层要薄，与轮廓结合得较牢固。另外，PVD涂层可以在低得多的温度下沉积在硬质合金上，因此，它们更多地应用于非常锋利的刃口及大的正前角铣刀、车刀。虽然涂层材料氮化钛，在所有涂层刀具中占有80%。然而在高速干式切削的情况下，最好的PVD涂层是氮铝钛(TiAlN)，它的性能在高温连续切削时，优于氮化钛四倍，例如用于高速车削。TiAlN涂层对于处在较高的热应力条件下的刀具，也胜过其它涂层。象干式铣削及那些小直径孔的深孔钻削切削液难以到达的部位。TiAlN在切削温度下比TiN更硬，且具有热稳定性，PVD涂层利用了它的抗化学磨损性能，它的硬度高达维氏3500，它的工作温度高达1470F。材料科学家推测：这些性质可归功于非结晶的氧化铝薄膜，它是当高温时涂层表面中的一些铝氧化后，在切屑/刀具界面上形成的。这项研究特意选用超薄多层PVD涂层，这种沉积过程产生的涂层由上百层组成，每一层仅有几个纳米厚。而一般的PVD涂层的沉积物只有几层微米级厚度的涂层。尽管PVD涂层有很多优点，但是对于加工大多数黑色金属，CVD涂层仍然是更受欢迎。在CVD加工过程中，沉积温度比较高有助于提高结合强度，并且允许基体中有较高的钴含量，这样刀刃的韧性好，提高抗塑性变形的能力。由于CVD涂层比PVD涂层厚，就要求在它们的刃口处进行钝化，以防止涂层剥落，同时也能有助于提高刀具的抗磨损性能。允许采用进给量可达0.035in./r(约0.9mm/r)。CVD是在刀具上沉积一层有用的氧化铝的过程，这是人们熟知的最耐热和抗氧化的涂层。氧化铝是不良导体，它把刀具与切削变形而生成的热量隔开，促使热量流到切屑中。这是一种极好的CVD涂层材料，主要用于在干切时使用的硬质合金车刀。它在高速切削时还能保护基体，是最好的抗磨料磨损和月牙洼磨损的涂层。涂层刀片有较长的刀具寿命，它在干式铣削比湿式铣削更稳定。更高切削速度会使切削温度进一步升高。例如，在14000r/min和1575in./min(约40m/min)的切削速度下干式切削加工铸铁，能把刀具前面的切削区加热到600700。其金属切除率就类似于铣削铝，这时在铸铁上产生的温度就高于常规刀具。2 金属陶瓷、陶瓷、CBN、PCD的选用切削速度越高就要求刀具材料更耐磨，还要求具有较高的热硬性。金属陶瓷、立方氮化硼以及两种适合精细加工需要的陶瓷-氧化铝和氮化硅(现代术语陶瓷包含氧化铝和氮化硅，而不象过去单指氧化铝。)，它们的应用日渐普及。聚晶金刚石是另一种干式切削情况下使用的刀具材料。在所有这些材料中，它们都有较高的红硬性和耐磨性，需要权衡考虑的是脆性较大。 1. 金属陶瓷 是一种先进的硬质合金。金属陶瓷比常规硬质合金能承受更高的切削温度，但是缺乏硬质合金的耐冲击性、在中型到重型加工时的韧性、以及在低速大进给时的强度。金属陶瓷在小的和不变的负荷时，也象常规硬质合金那样，有差不多的刀刃强度。但是它在高切削速度下的耐高温和耐磨性能更好，持续时间更长，加工的工件表面更光洁。当用于加工软的和粘性的材料时，它也有较好的抗积屑瘤性能，表面质量很好。 较好的高温硬度来自配料时加入的钛的化合物。金属陶瓷是硬质合金的一种型式，它含有坚硬的钛基化合物(碳化钛、碳氮化钛和氮化钛)，粘结剂是镍或镍钼。由于金属型粘结剂的温度局限性，典型的金属陶瓷牌号，在加工的材料硬度超过HRC40时，不具备足够高的热硬性。 金属陶瓷比起涂层和非涂层硬质合金，对断裂和进给引起的压力更加敏感。因此，它最好用于高精度工件和表面质量要求较高时。理想的加工工序是切削那些连续的表面。 车削碳钢时，进给量的上限通常是0.025in./r(约0.635mm/r)。一般用途的铣削，可以在高的主轴速度、中等进给量的条件下进行。如果满足这些条件，在大量生产时金属陶瓷能长时间地保持锋利的切削刃。如果金属陶瓷是在传统的切削速度和进给量下使用，比起硬质合金刀具能改善了刀具寿命和表面质量，也能提高生产率，对于切削合金钢时其提高幅度为20%，对于切削碳钢、不锈钢和软铁时为50%。2. 陶瓷 陶瓷刀具类似于金属陶瓷，它比硬质合金有更高的化学稳定性，可在高的切削速度下进行加工并持续较长的时间。纯氧化铝可以耐非常高的温度，但是它的强度和韧性很低，工作条件如果不好，容易破碎。 为了减低陶瓷对破碎的敏感性，在企图改善其韧性、提高耐冲击性能时，加入了氧化锆或加入碳化钛与氮化钛的混合物。尽管加入了这些添加剂，但是陶瓷的韧性比硬质合金还是低得多。 另一个提高氧化铝陶瓷韧性的方法是在材料中加入结晶纹理或碳化硅晶须，通过这些特殊的平均起来仅有1纳米直径，20微米长很结实的晶须，相当程度地增加了陶瓷的韧性、强度和抗热冲击性能。在组成上，晶须可高达30%。 象氧化铝一样，氮化硅比硬质合金有更高的热硬性。它耐高温与机械冲击的性能也比较好。与氧化铝陶瓷相比它的缺点是在加工钢时它的化学稳定性不很好。可是，用氮化硅陶瓷可在1450ft./min(约440m/min)或更高的速度下加工灰铸铁。虽然使用陶瓷刀加工效率可以很高，但是应用必须正确。例如，陶瓷刀具不能用于加工铝，而对灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢、耐热合金则特别适合。可是对这些材料而言，应用得成功还有赖于开始切削之前刀具刃口外观的准备、机器和装备的稳定性和选用最佳的加工参数。3. CBN CBN是一种非常硬的刀具材料，通常最好用来加工硬度高于RC48的材料，它有极好的高温硬度-高达2000，尽管比硬质合金要脆得多，比陶瓷耐热性和化学的稳定性要差，但是它比陶瓷刀具有较高的冲击强度和抗破碎性能。对于切削淬硬金属时，机床刚性可以稍差。此外，一些特制的CBN刀具能抵御高功率粗加工的切屑负荷，间断切削的冲击以及精加工时的磨损和切削热。 对于要求严格的零件，应对设备进行适当的调整，以提高机器和装备的刚性。刃口倒钝应足够大以防止微观剥落和使刀具基体上有一定厚度的CBN层，这就能使刀具在高速、重负荷、剧烈的间断负荷下工作。这些特点使CBN成为粗加工淬硬钢和珠光体灰铸铁所选用的刀具材料。刀具带有一薄层CBN是比较脆弱的，但是它用于加工淬硬的铁合金又是比较好的刀具材料。CBN具有低的导热系数和高的压缩强度，经受得了由于高切削速度和负前角产生的切削热。在切削区内由于较高的温度使工件材料软化，有助于切屑的形成。负的几何角度加强了刀具，稳定了切削刃，改善了刀具寿命和允许在小于0.010in.(约0.254)的浅切深下进行加工。在干式车削淬硬工件的情况下，由于CBN刀具可以加工出小于16in.(约0.4m)的表面质量，并能控制0.0005in.(约0.0127mm)的精度，因此常用它取代磨削工序。CBN刀具很适合淬硬车削和高速铣削加工。而对于这个应用范围，陶瓷和CBN是重叠的。因此，进行成本效益分析是非常必要的，以确定哪一种材料将提供最好的效果。4. PCD刀具聚晶金刚石作为最硬的刀具材料，它是最耐磨的。它的硬度和耐磨性来自各金刚石晶体间无一定方位的粘结，这种晶体方位各异的排列抑制了裂纹的扩展。使用时，将PCD小片粘结到硬质合金刀片上，这可增加它的强度和抗冲击性能，其刀具寿命是硬质合金的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对黑色金属中铁的亲和力，引起化学反应，这种刀具材料只能用于加工非铁零件。其二是PCD不能经受切削区超过600的高温。因此，它不能切韧性、高延展性材料。PCD刀具特别适于加工有色金属，特别是对摩擦很厉害的高硅铝合金。采用锋利的切削刃和大正前角高效切削这些材料，使切削压力和积屑瘤达到最小。刃口强化、刀具几何参数与排屑尽管近几年物理的进步与应用开发，用金属陶瓷、陶瓷、CBN和PCD制造的刀具仍然是比硬质合金要脆得多，不能经受太多的压力，因此用这些材料制造的刀具必须结合其特点进行设计，即对它加强支撑、分散压力。这一点很重要。例如，为了要改变磨削力的方向，使力从切削刃往里向着刀体，切削刃必须经过加工-刃口准备。有这样三种刃口准备而且其大小还要适当：T型刃带、强化、T型刃带强化。 T型刃带 就是一个倒棱-在刃口上磨出的窄的平面，以取代较脆弱而锋利的刀刃。刀具设计者的一个重要任务就是要找出最小的平面宽度和能赋予刀刃适当强度和寿命的角度；因为大的宽度和加强刀片的角度无疑会增切削力。 强化 就是圆整一下锋利的刃口。虽然强化不象T型刃带那们有棱有角，但是强化对用于精加工的先进的刀片材料效果很好。这些强化刀具应该用于浅切深、低速进给、并保持切削压力最小。 T型刃带强化 当强化用于倒棱的前面与后面相交处时，也能加强T型刃带。在应用中，微小的剥落发生时(就象用陶瓷刀粗车钢)，强化能分散这些点上的压力，没有使倒棱变大而加强了刀具刃口。刀具设计者除了针对工件确定最适合的刀具刃口外，还必须优化刀具的几何角度和排除切屑能力。通过增加后角来减小切削力和对刀具的压力，也降低了切削区的温度。要使正前角尽可能地大，这样由于较好的剪切作用能减少切削力。宽阔的容屑槽有助于切屑的排除，尤其是对钻削和螺纹加工。另一个使切削力降低的方法是在高速下切削。为了提高效率，宁可在很高的主轴速度下，把大的进给量减小，而不用增加进给量的方式。此外，现在的铣刀比五年前要精确得多，铣床和车床的机械稳定性、刚性也更高了，因而排除了可能的振动。所有这些都有利于脆的、较硬和耐磨的刀具材料的应用。应用能抗高温刀具的另一个有利因素是切屑形成有极高的效率。例如切削铸铁，热量使切削区的材料成为可塑体，这样就降低了切削区工件材料的强度。其结果是比普通粗加工金属切除率增加三倍。因为进给速度很高，刀具对金属材料切除得非常快，以至大量的热量停留在切屑中，没有时间传到工件和使它变形。尽管切削温度很高，工件温升却很小，比起在常规用量下切削所得到的工件精度也要高。用低轴向力精加工也能使工件、夹具、机床静变形最小化。这样的工序要求利用粗齿铣刀，低进给和铣刀高转速。由于夹持工件所需夹紧力小，工装夹具可以简单。对于棱形工件有较宽敞的铣刀通道。干式切削需要考虑的事项采用干式切削加工时，选定正确的机床和恰当的装备是很重要的。因为速度特别快，材料又常常较硬，干式切削加工时切削温度很高，机床必须刚性足、马力大。在加工中心上进行干式切削之前，操作者应该尽量保持其工具伸出长度较短，主轴是处在刚度最佳的情况下，还要考虑机床的速度、额定功率。谈到车床工近净成型(nearnet shape)的和淬硬的零件，刀具转塔可以对着机床刚性强的方向进行加工，因为这个方向的长导轨能把切削力分散。设计得好的机床，能直接在短导轨上分散这些切削力，并且刀架由最少的零件组成，却能移动和支撑刀具。在相对于柔性更重视精度时，则应该考虑用螺栓将一组刀具直接固定在横拖板上避免回转分度机构。热稳定性对精度是非常关键的。一些制造商采用软件提高了他们的加工中心的精度，这些软件补偿了温度的影响。然而，控制温度应该从有效地排除热切屑开始，因此要排除密封的工作区内部重要的热源。优秀的机床设计，机床里没有那些能聚集切屑的洼坑和高台。用排屑螺旋与传送器尽快将切屑排出机床外，而不用切削液协助冲走。如果排屑出了问题，用压缩空气取代液体。为了保护滚珠丝杠、导轨，伸缩套管，防护罩、密封条和灰尘收集器还是需要的。如果需要一台干切削的机床，可以把原来设计好的机床从湿式切削操作转变为干式切削操作，通常也是比较便宜。需要添加的灰尘收集器和空气传送系统，比湿式切削加工相应的油雾收集器和冷却泵稍微贵些。用干式切削加工操作成本也是比较低的，因为它避免了冷却液的管理和处理费用，其次是压缩空气耗电比冷却泵要少。因此，干式切削的应用会越来越广泛。本文作者:张铁铭(编译)原载:工具展望上载于:2004-3-11 20:34:12干式加工-未来金属切削加工发展趋势之一干式加工是未来金属切削加工发展趋势之一。近年来，特别是工业发达国家，非常重视干式切削，为了贯彻环境保护政策，更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。切削液在加工中对降低切削温度起了很好的作用。也有利于断屑和排屑，但同时也存在一些问题，冷却液的使用、存储、保洁和处理等都十分繁琐，且成本很高。 切削液对环境和操作者身体健康的危害一直受到使用限制。切削液的处理是不经济的，引起了费用增加，这些费用常常被低估，因为它们包含在间接费用之中。据美国企业的统计，在集中冷却加工系统中，切削液占总成本的14% 16%，刀具成本只占2%4%。据测算，如果20%的切削加工采用干式加工，总的制造成本可降低1.6%。因此，未来加工的方向是采用尽量少的切削液，耐高温切削材料和涂层使得干加工在机械制造领域变为可能。 干式加工刀具设计刀具设计时总是考虑几何形状、刀具材料和涂层之间的相互兼顾，不可能只通过选择合适的刀具材料来用于干加工；或者只用涂层方法使传统的刀具变成干加工刀具。 传统切削加工时，各种加工方式对刀具设计提出不同要求。干加工刀具必须具备下列条件：耐热性、耐磨性的刀具材料，切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小，刀具形状保证排屑流畅，易于散热，高的强度和冲击韧性。 因此，干式加工刀具设计必须考虑如下3个方面： 1. 几何形状。热效应是干加工的基本问题。刀具设计时要考虑使得刚开始加工产生热的可能性要小，因此必须切削力小，摩擦小。深孔加工刀具附加问题是很难将切屑排出，因此刀具设计必须保证有好的切屑排出效应。在很小的加工力情况下，设计原则为，大前角和大圆度切削角。 2. 刀具材料。干加工时切削材料最重要的是耐高温性。如果必须用大的前角的话，高硬度也是必须的。目前适用于干式加工的刀具材料有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。 3. 涂层。现今，切削加工可以不采用切削液的原因之一是涂层，它通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低温度冲击。因此刀具材料可通过涂层处理，实现“固体润滑”来减少摩擦和粘接，刀具