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机床和刀具 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2008-10-24

— 本帖被 cyqdesign 从机械加工与制造移动到本区(2010-12-09) —

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/m3和作用水平到0.25mg/m3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度，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著的热冲击少于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擦降到最低。

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18微米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。其硬度高达维氏硬度3500，而且它的工作温度高达华氏1470度。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。这个设计抗磨性也好且能在进给量超过每转0.076毫米到每转0.89毫米下工作。

CVD也是唯一使用已知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。譬如在每分钟14000转和线速度每分钟400米下干加工灰铸铁，刀具前面的切削区能加热到600到700摄氏度之间。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洛氏40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每转0.63毫米，并且也能处理主轴高速且合适进给下的普通铣削。

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一微米长度是20微米，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，氮化硅能以线速度每分钟435米干式加工灰铸铁，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，通常材料硬度大于洛氏硬度48时工作最好（加工软材料时CBN磨损很快）。温度高到摄氏2000度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0.25毫米小的切深。

因为CBN刀具能获得优于0.4微米的表面光洁度并保持同轴度正负0.012毫米，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出路径帮助切屑排出，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，解决了切削力问题后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。

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