干切削的优势与应用

性格最爱 · 发表于 2012-12-19 14:44

干切削的优势与应用
　仅仅20年前，切削液还是比拟廉价的，且占多数加工过程的比重小于3%。所以很少有机械加工厂对它们关注很多。在那以后，随着时间的推移，发作了戏剧性的变化：往常的切削液费用估量达每年几十亿美圆，且占消费本钱比重高达15%。如今，机加工行业无时不刻都在为他们的切削液担忧。
　　切削液，特别是那些含油的切削液，已成为宏大的担负。不管某种切削液有多么平安和环保，政府法令仍将请求你从倾倒到池里的那一刻起就停止特殊处置。即使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的油和金属碎屑混合，它就变成一种受控的工业废料。不只美国环境维护局管理这种混合物的处置，而且许多州和中央政府也已把它们作为有害废物停止分类，假设它们含油和某些合金，更要加强严厉控制。
　　由于很多高速加工和切削液喷嘴产生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含量。环境维护局曾经方案出台更严厉的针对控制这些空气里微粒的标准，进一步进步机加工企业的方案本钱和义务。职业平安和安康管理局也正在思索一个咨询委员会推荐经过一个最大值到0.5mg/m3和作用程度到0.25mg/m3的法令，来限制较低的切削液气雾允许暴露量。
　　维护、记载存档和遵照现行和方案的规则所产生的本钱正迫使切削液价钱疾速上涨。大型工厂支付从几万到几十万的资金来维护切削液，只需有可能，就安装和运用适宜的附件和油雾搜集器以及切屑、碎屑和用过的切削液的处置，来推延它们的处置。其结果是，很多机加工企业正在就经过干切削来防止费用和伴随切削液产生的反作用展开讨论。
　　固然大多数工厂可能供认有取消切削液的愿望，但他们不能肯定能否做得到。他们置信，要获得更高的速度和切削更硬的材料，他们必需运用切削液来维持竞争力。很多从湿式加工转变到干加工的可见本钱也很高。但往常都不成为问题。理论上，在很多加工中，常规操作应该是干加工。再者，干车削硬材料和高速干铣削不只是可行的，而且有利可图。其技巧是正确集成刀具、机床和切削技术。
　　有害无益的切削液
　　更多采用干切削的最大障碍之一是切削液关于获得较好光亮度和更长刀具寿命是必不可少的传统认识。固然理想中切削液关于许多加工仍然是必要的，但是研讨标明，有了现代切削刀具材料和当今更高的切削速度，并非一定要运用切削液。先进的硬质合金材质牌号，特别是有涂层维护的，在高速高温下不运用切削液理论上切削更有效率。理论上，在断续切削时，切削区温度越高，越不适宜运用切削液。
　　这种似乎与直觉相反的趋向缘由在于：切削区温度变得非常高，通常超越1000℃，特别是在高速切削和硬材料切削时。举例来说，假定切削液能克制铣刀高速旋转产生的向心力，切削液在抵达切削区之前早已汽化，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动摇更明显的区别。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。固然在干切削时也发作加热和冷却循环，但是当有切削液时温度动摇更大。随之发作的热冲击会在刀片上产生应力，并会使其过早分裂。
　　类似的结果也在车削时发作。譬如当在切削速度高于130m/min时切削碳钢，暴露在冷却液里的未涂层硬质合金刀片能承受显著的热冲击少于40秒。这种冲击经过细微增加前刀面磨损和猛烈的后刀面磨损，显著缩短刀具寿命。由于大多数车削加工少于40秒，关于刀具寿命来说，干车削通常更可取。
　　另一方面，在钻削时，为了提供光滑和把切屑从孔里冲出来，切削液通常是必需的。没有切削液，切屑会堵在孔里，而且均匀外表粗糙度Ra是湿式加工的两倍。切削液经过光滑边缘碰到孔壁的钻尖，也能降低需求的加工扭矩。固然涂层钻头在某种程度上会增加切削液的光滑效果，但是，降低切削力的涂层最可能的趋向是把摩擦降到最低。
　　由于还没有用于预测切削液效果和性能的科学模型，能否采用干切削取决于细致的加工案例。光滑液通常针对低速加工、难加工材料和对外表光亮度有请求的加工场所，而冷却才能强的切削液会进步高速加工、易切削材料、简单加工、积屑瘤问题和紧尺寸公差加工的性能。但是，很多时分，切削液提供的额外性能并不值得额外的开支。在越来越多的加工中，切削液几乎是不用要的或有害的，由于现代切削刀具适宜更高的温度，而且紧缩空气能从切削区域带走热切屑。
　　用涂层处置热量
　　涂层通常是当今不再需求切削液的另一个缘由。它们经过抑止从切削区到刀片或刀具的热传送来控制温度动摇。涂层的作用就像热屏障，由于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，能承受更高的切削温度，这意味着车削和铣削时，可在不牺牲刀具寿命的前提下停止更高速的切削。
　　厚度范围在2～18μm的涂层在刀具性能里扮演着重要角色。由于薄涂层比厚涂层在快速冷却和加热过程中惹起应力更低，并且不易分裂。关于断续切削，这个厚度范围较薄的一端承受温度动摇的才能更佳。在相同的应力下，厚涂层在加热或冷却太快时容易分裂。因此，用薄涂层刀片停止干加工通常可以延长刀具寿命达40%。
　　这是为什么圆刀片和铣刀片通常采用物理气相堆积(PVD)的一个重要缘由。和相对应的化学气相堆积(CVD)涂层相比，PVD涂层更薄，粘着力更佳。除了更薄以外，它们的堆积温度也要低很多。所以在车削和铣削刀具中，更多运用尖利的切削刃和大的正前角。
　　固然氮化钛(TiN)占到一切涂层刀具的80%，但氮铝化钛(TiAlN)作为针对高速精加工的最佳PVD涂层呈现了。在连续高温切削(如高速车削)时，TiAlN超越TiN性能的3倍。在干铣削和小直径深孔钻削时，由于切削液很难浸透，热应力很高，TiAlN也比TiN胜出很多。
　　在相同切削温度下，TiAlN比TiN更硬，它是目前热稳定性和抗化学磨损才能最好的PVD涂层。其硬度高达Hv3500，而且工作温度高达1470F°。固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外表氧化时在切屑-刀具接触面构成的非晶质氧化铝膜。
　　应用更薄的多层PVD涂层使其更适宜于干切削的研讨正在停止之中。这种堆积工艺树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堆积而成。
　　虽然对PVD涂层有着剧烈的兴味，与之相对应的CVD涂层关于大多数黑色金属工件材料来说不断很受欢迎。CVD工艺很高的堆积温度有助于粘着并且允许基体生成强化刃口和辅佐基体抵御变形的富钴区。由于它们比PVD涂层更厚，因此需求对切削刃更重的钝化来防止像墙角厚层涂料的剥落那样的开裂。这种设计可进步耐磨性，且能用超越0.076mm/r～0.89mm/r的进给量停止加工。
　　CVD也是独一运用已知最佳抗热和氧化磨损的氧化铝涂层堆积工艺。氧化铝导热差，因此隔离切屑构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宜干加工的优秀的CVD涂层。在高速下它维护基体，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
　　固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，但是关于高速加工的请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600～700℃之间。金属切除率同那些用更传统技术铣削铝接近，但是关于传统切削刀具来说，加工灰铸铁时产生的温度太高。
　　因此，更高的切削速度将请求运用具有更高红硬性和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(往常，“陶瓷”这一术语包括氧化铝和氮化硅两种陶瓷，而不像过去那样仅指氧化铝陶瓷)很适宜这种请求。聚晶金刚石(PCD)也是一种适宜干切削的刀具材料(固然不适宜加工黑色金属)。但是，一切这些材料固然具有很好的红硬性和抗磨料磨损性能，但其缺陷是具有较高的易碎性。
　　金属陶瓷是一种先进的硬质合金材料。与传统的硬质合金相比，金属陶瓷能在更高的温度下工作，但其耐冲击性、中等到重载下的韧性以及小进给和大进给时的强度不如硬质合金。但是，在轻载加工时，金属陶瓷与传统硬质合金具有大致相等的刃口强度，而且在更高的切削速度下承受温度和磨损更好，持续时间更长且外表光亮度更佳。关于延展性好和粘性高的材料，在抗积屑瘤的构成和生成良好外表光亮度方面，金属陶瓷的表现也更好。
　　更好的红硬性来自组成刀具材料的钛化物。金属陶瓷是陶瓷和金属的首字母缩略语，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，它以镍或镍钼作为粘接剂，而不像制造传统硬质合金那样用钴作为粘接剂。由于金属粘接剂的温度限制，典型的金属陶瓷材质牌号的红硬性不能用于加工硬度超越40HRC的工件材料。
　　与涂层和不涂层硬质合金相比，金属陶瓷对破损和进给惹起的应力要敏感得多。因此，它在请求高精度和良好光亮度的高切削速度、低进给率、小切深加工中表现最佳。理想的加工操作是那些切削时没有严重断续的情况。车削碳钢时，进给量的上限通常是0.63mm/r，并且也能在高主轴转速和适宜的进给量下停止普通铣削加工。
　　假设坚持在这些加工条件限制内，在大批量消费情况下，金属陶瓷能长时间坚持尖利的切削刃。固然金属陶瓷能在传统切削速度和进给率下进步刀具寿命和外表光亮度(与硬质合金相比)而值得运用，但它也能经过进步切削速度(加工合金钢时可进步20%，加工碳钢、不锈钢和球墨铸铁时可进步50%)而进步消费率。
　　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类似，对工件材料的化学稳定性好，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，但强度和韧性较低，假设工况不佳的话，较低的强度和韧性的组合会使它容易破损。为了降低其分裂敏理性，刀具制造商或者添加少量氧化锆来进步韧性，或者掺入20%～40%的碳化钛和氮化钛来进步其抗冲击性和热导性。但是，其韧性仍然比硬质合金低得多。
　　另一种进步氧化铝陶瓷韧性的方法是参加用于增韧补强的碳化硅晶须。固然这些晶须典型的均匀直径只需1μm，长度为20μm，但它们具有很高强度，并能显著增加韧性和抗热冲击性。晶须最多能占到总量的30%。
　　与氧化铝陶瓷类似，氮化硅陶瓷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，并且承受热冲击和机械冲击的才能更强。与氧化铝陶瓷相比，它的主要缺陷是加工钢件时化学稳定性不如氧化铝好。虽然如此，氮化硅陶瓷刀具能以435m/min的线速度干式加工灰铸铁，氮化硅陶瓷通常被用于加工此类工件。
　　固然运用陶瓷刀具能到达很高的金属切除率，但必需正确地应用。举例来说，陶瓷刀具并不适宜加工铝，但其加工灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢以及耐热合金的效果很好。但即使加工这些材料时，运用能否成功取决于刃口修磨、刀具对工件的性能、机床和夹具的稳定性、采用正确的操作方法和优化的加工参数。
　　CBN是一种硬度仅次于金刚石的超硬刀具材料，通常在加工硬度大于48HRC的材料时效果最好(加工软材料时CBN磨损很快)。CBN在温度高到2000℃是仍具有极佳的红硬性。固然CBN比硬质合金更脆，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分裂性，而且在刚性较低的机床上也能切削硬金属。此外，恰当定制的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耐高温和耐磨损性能。
　　关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需的，由于它们具有刃口重载条件下高速加工请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含量低的材质牌号比CBN含量高的牌号更脆，但它们用于加工淬硬黑色金属时性能更好。它们具有更低的导热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。更高的切削区温度可以软化工件材料和辅佐断屑，而负前角可强化刀具、稳定切削刃、进步刀具寿命，并允许小于0.25mm的切深。
　　由于CBN刀具能获得优于0.4μm的外表光亮度并坚持±0.012mm的同轴度，干车淬硬工件通常是一种有吸收力的替代龌龊的强化冷却的磨削加工方案。固然CBN是一种硬车削和高速铣削特别喜欢的刀具材料，但陶瓷和CBN的应用范围有惊人的堆叠，故而有必要用本钱-效益分析来决议谁能获得最优结果。
　　PCD加工有色金属时表现突出。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的才能最佳。其硬度和耐磨性来自晶体各向异性和金刚石颗粒之间的结实别离可以阻止裂纹扩展。把PCD刀头焊到硬质合金刀片上，可以增加强度和抗冲击性，并能延长刀具寿命高达100倍。
　　但是，其它一些特性使其不适宜用于许多加工操作。其中之一是PCD与黑色金属中的铁具有亲合性，由此产生的化学反响使这种刀具材料不适宜加工有色金属。另一个受限特性是它无法承受超越600℃的切削区高温，因此PCD不适宜切削加工抗拉强度高的工件材料。
　　虽然如此，PCD在加工有色金属时表现很好，在加工耐磨高硅铝合金时尤为突出。尖利的切削刃和大正前角关于高效剪切这种材料和减小切削力、抑止积屑瘤非常关键。在加工磨蚀性大的有色金属材料时，PCD表现出很好的化学稳定性和耐磨性，它能坚持剪切工件所必需的尖利切削刃。
　　强化切削刃与减轻加工载荷
　　虽然自从推出后它们的物理性能进步以及应用范畴的开展，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加强支撑和释放应力。
　　设计这种刀具的一个重要局部是切削刃的刃磨，它可使切削力偏离刀片刃口改动方向传入基体。三种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，它取代薄弱尖利的刀尖。这里刀具设计人员的目的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，由于宽度和角度增大后刀片得到强化但也增加了切削力。
　　珩磨用于钝化尖利的切削刃。固然它们不提供与负倒棱相同的抗微崩刃维护作用，但珩磨对由先进材料制造的小切深小进给以坚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作微崩时，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，刀具设计人员也必需优化切削角度并能排屑。经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途径辅佐切屑排出，特别是在钻削和螺纹加工时。
　　坚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%～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精确的大小;而且现代铣削和车削机床变得刚性越好足以消弭过度的振动。一切这些开展都支持运用脆但更硬更耐磨的刀具材料。
　　运用一种能承受高温的刀具的好处之一是切屑构成非常有效。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。由于进给率高，刀具剪切切屑快致使大局部热留在切屑里而没有时间流向工件并惹起扭曲。虽然切削温度很高，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。
　　冲击较小的精加工也使工件、夹具和机床以及在高线速度下以每转更小的进给量运用安装小刀片低密度材料的刀盘的静态变形到达最小。由于支撑工件只需很小的夹紧力，所以可以简化夹具，不需求一个有加强筋、工件支撑和夹紧元件的复杂夹具系统。结果是机床对箱体零件的各个面进刀更多。
　　机床能否适宜干加工
　　指定和配备适宜的机床也是这个战略的一个重要局部。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，关于加工中心，运用者应该努力缩短刀具悬伸量，并且，除了思索速度和功率外，还要判别主轴的内在刚性。
　　在车床上切削接近成型的零件和淬硬零件时，处理了切削力问题后，刀塔能靠机床刚性完成很长的切削行程。一台设计良好的机床将处理那些沿着短的直接通路的力并且包含尽可能少的挪动和支撑刀具的机床零件。在权衡精度和柔性后，你或许以为，直接装在横刀架的刀具组能消弭回转分度机构。这种设计能缩短刀具悬伸量，平衡作用于导轨上的切削力，并使支撑面最小化。
　　关于加工精度来说，热稳定性也很关键。所以，一些机床制造商用软件补偿热收缩的方法来改良其加工中心的机械局部性能。但是，控制温度变化将开端有效地外排热切屑来消弭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辅佐就能排出干切屑螺旋推运器和切屑运送安装。假设需求用切削液辅佐排屑的话，思索用紧缩空气来替代切削液。
　　为了维护滚珠丝杠和导轨，防止操作工吸入空气中的灰尘，还需求安装伸缩盖、防护罩、密封和吸尘安装。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。它的吸尘安装和紧缩空气保送系统也比相应湿式加工需求的油雾搜集器和冷却泵更廉价，运转本钱也由于干加工取消了冷却液管理和处置费用而大幅降落。此外，干加工可使你从如今和将来的切削液运用义务规章制度中解放出来。

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