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                  干式切削中的刀具用途

                  發布時間:2012/2/9

                  干切削對刀具有更高的要求,如刀具的材料、刀具的結構以及刀具涂層。

                  在傳統的切削加工中,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,維持一個大型的切削液系統需花費很多資金,同時需要定期添加防腐劑,更換切削液等,因而增加了許多費用,其費用比例已占總生產成本的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,對工人的健康造成危害,造成環境污染等。所以,它的使用帶來了越來越多的問題。從這些方面來說,干切削具有更多優勢。

                  干切削中的刀具應有更優異的耐高溫性能(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,現代切削刀具材料應用于高速加工時更適合干切削。像CBN和先進的硬質合金材質等級,尤其是有涂層保護的刀具材料,在高速高溫下不使用切削液實際上切得更有效率和壽命。

                  干切削對刀具的要求

                  干切削的刀具材料必須要有優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,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。要實現干切削,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)、超細晶粒硬質合金和硬質合金涂層等刀具材料已廣泛用于干切削之中。伊斯卡近兩年開發了眾多可用于干切削的刀具材料:IB90及IB85,CBN含量高達85%和90%,刀片的耐磨性和韌性高,能應對斷續切削所帶來的震動,推薦用于鑄鐵的高速切削及淬硬鋼的斷續切削及粗加工。低CBN含量的牌號,IB55,IB50,CBN含量為50%和55%,更適合于半精加工及精加工。IB10H屬于超細晶粒的CBN,耐磨性和韌性更高,用于高速連續切削,可獲得高的表面質量;IB20H細晶粒及中等晶粒CBN,用于連續-輕微斷續切削加工;還有IB10HC、IB25HC和IB25HA涂覆TiN、Ti(C,N,O)和Ti(C,N),應用于各種對應的場合。

                  特殊的刀具涂層

                  對刀具進行涂層處理,是提高刀具性能的重要途徑。在有強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生的熱量,并降低刀具/工件表面之間的摩擦系數,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性能,極好的熱硬性和化學穩定性,因此,A12O3涂層刀片具有良好的抗月牙洼磨損能力,較低的熱導率,隨著溫度升高其熱導率降低,這種特性在切削加工中,可阻礙切削熱傳到刀具的切削刃,防止切削刃受熱發生塑性變形所導致突然失效,伊斯卡通過中溫化學涂層(MTCVD)的α-TEC,優化A12O3中有良好的氧化穩定性和高的熱穩定性的α相,改進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,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械沖擊和熱沖擊性能的超細晶粒硬質合金作為基體,通過具有更低摩擦系數的PVD涂層工藝涂覆耐高溫材料TiAlN,抗氧化溫度高,在切削時會產生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在高溫時比TiN硬度高,熱穩定性好,其高溫時產生的氧化膜。可改善刀具與工件/切屑的摩擦,減少熱量的產生,此外,TiAlN涂層的熱導率也低于TiN等涂層,從而起到隔熱作用,使刀具在干切削時能承受更高的溫度。PVD-TiAlN涂層,硬度與TiCN、TiN相當,而熱穩定性溫度比TiCN和TiN高,達到1450℃。這種TiAlN涂層隨A1含量的提高,其硬度更高,抗高溫斷裂性更強,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對刀具進行交替涂覆,所涂覆的刀具具有粘附力強,耐熱性高和抗磨損性好等特性,聚集了TiN、TiAlN以及TiNC等涂層的優點,然后再用涂層后處理技術SUMO-TEC,進一步提高韌性和耐磨性,降低表面摩擦系數,使得切削區域溫度更低,抗崩刃性及抗積屑瘤性更佳,從而在加工絕大多數被加工材料時均能獲得更可靠持久的刀具壽命,刀片耐用度增加了20%~280%。

                  刀具結構的特殊設計


                  在刀具幾何結構方面,干切削刀具設計應力求遵循“低切削溫度”設計原則,刀具結構設計必須考慮使加工過程中產生的熱量盡可能少,也就是說刀具結構應力求做到低切削力及低摩擦。通常的刀具不能適應干切削,為此,干切削加工應優化刀具幾何參數,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計,即減小了切削力又加強了刃口的強度和容熱性能。

                  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置加強棱,可以在接觸區形成鱗狀切削面,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,防止積屑瘤的產生,伊斯卡率先對刀體進行了硬鎳渡層和含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”設計原則,保證低摩擦切屑的流動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域采用立裝刀片結構,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構、刀柄結構、加工機床、切削用量、加工方式等各個方面。這需要研發新型刀具材料,并注意刀具材料與工件材料的合理搭配以及干切削時防止對刀具材料與工件材料的擴散、粘結。

                  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、性能優異的高速鋼和硬質合金等方面。伊斯卡尤其重視涂層刀具的研發,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、高的抗粘結性能、高的化學穩定性和低的摩擦系數,干切削技術的發展在很大程度上依賴于刀具涂層技術的開發。

                  除了研究刀具材料的硬度、韌性、熱穩定性問題外,還有不同刀具材料在干切削中的適應性,不同被切削材料在干切削中的作用、特點、性能等。刀具幾何參數設計,刀片形狀及幾何參數的合理確定,對充分發揮刀具干切削性能非常重要,所以伊斯卡也不斷的研發強度更高的刀片形狀和更牢靠的刀片夾緊方式;考慮刀體質量的分布調整的合理,使得刀體膨脹均勻等等。對幾何參數而言,我們強調小切削力低切削溫度原則。

                  干切削是面向環境清潔的生產理念的具體體現,它不僅降低了生產成本,促進了刀具技術的進步,更帶來了一種嶄新的綠色制造技術,是制造業終將追求的目標。

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