干切削是機(jī)加工的發(fā)展方向
就在二十年前,切削液曾是非常便宜,在大多數(shù)加工過(guò)程的成本中,其所占比例不到3%。以至沒(méi)有誰(shuí)會(huì)對(duì)此多加注意??墒牵F(xiàn)在不一樣了,切削液在車(chē)間生產(chǎn)成本中所占比例上升為15%,這就不得不引起生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者的極大關(guān)注。
特別是那些含油的切削液已經(jīng)成為一項(xiàng)很大的支出。更重要的是它的排放污染環(huán)境,國(guó)外環(huán)保部門(mén)要監(jiān)控這些混合制劑的處理。而且,許多國(guó)家和地區(qū)也把它們劃歸為危險(xiǎn)廢物,如果其中含有油和某些合金,還要采取更為嚴(yán)厲的控制措施。再有,許多高速加工工序加了切削液會(huì)產(chǎn)生煙霧,環(huán)保部門(mén)也限制切削液煙霧釋放量要在允許范圍內(nèi),職業(yè)安全和職工健康管理部門(mén)為了降低切削液煙霧排放允許值,正在考慮一項(xiàng)咨詢(xún)委員會(huì)的建議。其中包括制定比較高的切削液的價(jià)格政策。因此,越來(lái)越多的廠家開(kāi)始采用干切,以避免這筆費(fèi)用和與切削液處理相關(guān)連的麻煩。
以前,金屬加工行業(yè)使用切削液已形成"習(xí)慣",所以推廣干式切削的主要障礙是這種習(xí)慣勢(shì)力,他們認(rèn)為切削液是取得良好加工表面和使用壽命所必須的。也有許多人認(rèn)為變濕切為干切,費(fèi)用可能會(huì)更高。其實(shí)兩種看法都不對(duì)。對(duì)于多數(shù)金切件,干切應(yīng)該是"標(biāo)準(zhǔn)加工環(huán)境"。在高速下干車(chē)、干銑淬硬材料不僅可能,而且更經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵是要知道如何正確地選擇刀、機(jī)床和切削方法。盡管切削液在有些場(chǎng)合還是需要的,可是研究表明:由于刀的材料有了很大發(fā)展,情況也在不斷的變化。新的硬質(zhì)合號(hào)特別是那些涂層牌號(hào),在高速、高溫的情況下不用切削液,切削效率更高。事實(shí)上,對(duì)于間斷切削,切削區(qū)溫度越高,越不適合用切削液。
先來(lái)看看銑削,假定切削液能克服高速旋轉(zhuǎn)的銑刀引起的離心力,那它在到達(dá)切削區(qū)之前也就已經(jīng)蒸發(fā)了,它的冷卻效果是很小的甚至沒(méi)有。而應(yīng)用切削液會(huì)產(chǎn)生溫度的激烈變化,銑刀刀片自工件切出時(shí)冷卻,再切入時(shí)溫度又上升。盡管在干切削時(shí)也有類(lèi)似的加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生,但是加了切削液這種溫度變化要大得多。溫度急劇變化在刀片中產(chǎn)生應(yīng)力,會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。
類(lèi)似的情況在車(chē)削中也會(huì)出現(xiàn),例如用非涂層硬質(zhì)合金,在速度高于130m/min時(shí),車(chē)削中碳鋼,刀尖切入工件不到40秒,然后暴露在冷卻液中,就能很明顯地表現(xiàn)出熱沖擊的損害。這種熱沖擊加快了月牙洼磨損和后面磨損,從而大大地縮短了刀壽命。對(duì)于大多數(shù)車(chē)削加工,干切通常能延長(zhǎng)刀片壽命。
然而,對(duì)于鉆削則是另一種情況。鉆削時(shí)切削液是必要的,因?yàn)樗峁┝藵?rùn)滑和從孔中沖出切屑。沒(méi)有切削液,切屑可能粘在孔內(nèi),并且表面粗糙度平均值(Ra)可能達(dá)到濕鉆時(shí)的兩倍。在這種情況下,切屑液也能減少所需的機(jī)床扭矩,因?yàn)殂@頭邊緣上與孔壁接觸的點(diǎn)得到潤(rùn)滑。盡管涂層鉆頭也能夠起到類(lèi)似切削液的潤(rùn)滑效果,涂層還能減少切削力并能使磨擦阻力趨向zui小。從總的效果來(lái)看,目前還不能*代替切削液。用哪種型號(hào)的切削液要根據(jù)具體情況,潤(rùn)滑性切削液用于低速加工難加工材料以及表面粗糙度要求較高時(shí)比較好。而冷卻能力較高的切削液,可以增強(qiáng)易切削材料高速加工性能,可以用于有產(chǎn)生積屑瘤傾向或有嚴(yán)格的尺寸公差的情況下。
可是許多時(shí)候用了切削液取得了某些效果,但它需要很高的額外費(fèi)用,也帶來(lái)非常有害的環(huán)境污染,這是不值得的。應(yīng)該看到,現(xiàn)代的切削工具能承受更高的切削熱,具備高速切削所需的性能。必要時(shí)可以用壓縮空氣從切削區(qū)吹走熱的切屑,以取代切削液。
在干式切削中刀片材料的選用
1高速干式切削的涂層是氮鋁鈦
現(xiàn)今,切削液通常不再必要的重要原因是有了涂層。它們通過(guò)抑制從切削區(qū)到刀片的熱傳導(dǎo)來(lái)減緩溫度的沖擊。涂層的作用就象一層熱屏障,因?yàn)樗斜鹊兜幕w和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù)。因此,這些刀片吸收的熱量較少,能承受較高的切削溫度。無(wú)論是車(chē)削還是銑削,涂層刀片都允許采用更的切削參數(shù),而不會(huì)降低刀片壽命。
涂層厚度在2到18微米之間,它在刀片性能方面起著重要的作用。較薄的涂層比厚的涂層在沖擊切削時(shí),經(jīng)受溫度變化的性能要好,這是因?yàn)檩^薄的涂層應(yīng)力較小,不易產(chǎn)生裂紋。在快速冷卻和加熱時(shí),厚的涂層就象玻璃杯極快地加熱冷卻一樣,容易碎掉。用薄涂層刀片進(jìn)行干式切削可以延長(zhǎng)刀壽命高達(dá)40%,這就是物理涂層常用來(lái)涂圓形刀片和銑刀片的原因。PVD涂層往往涂得比化學(xué)涂層要薄,與輪廓結(jié)合得較牢固。另外,PVD涂層可以在低得多的溫度下沉積在硬質(zhì)合金上,因此,它們更多地應(yīng)用于非常鋒利的刃口及大的正前角銑刀、車(chē)刀。
雖然涂層材料氮化鈦,在所有涂層刀中占有80%。然而在高速干式切削的情況下,的PVD涂層是氮鋁鈦(TiAlN),它的性能在高溫連續(xù)切削時(shí),優(yōu)于氮化鈦四倍,例如用于高速車(chē)削。TiAlN涂層對(duì)于處在較高的熱應(yīng)力條件下的刀,也勝過(guò)其它涂層。象干式銑削及那些小直徑孔的深孔鉆削切削液難以到達(dá)的部位。
TiAlN在切削溫度下比TiN更硬,且具有熱穩(wěn)定性,PVD涂層利用了它的抗化學(xué)磨損性能,它的硬度高達(dá)維氏3500度,它的工作溫度高達(dá)1470°F。材料科學(xué)家推測(cè):這些性質(zhì)可歸功于非結(jié)晶的氧化鋁薄膜,它是當(dāng)高溫時(shí)涂層表面中的一些鋁氧化后,在切屑/刀片界面上形成的。
這項(xiàng)研究特意選用超薄多層PVD涂層,這種沉積過(guò)程產(chǎn)生的涂層由上百層組成,每一層僅有幾個(gè)納米厚。而一般的PVD涂層的沉積物只有幾層微米級(jí)厚度的涂層。
盡管PVD涂層有很多優(yōu)點(diǎn),但是對(duì)于加工大多數(shù)黑色金屬,CVD涂層仍然是更受歡迎。在CVD加工過(guò)程中,沉積溫度比較高有助于提高結(jié)合強(qiáng)度,并且允許基體中有較高的鈷含量,這樣刀刃的韌性好,提高抗塑性變形的能力。由于CVD涂層比PVD涂層厚,就要求在它們的刃口處進(jìn)行鈍化,以防止涂層剝落,同時(shí)也能有助于提高刀片的抗磨損性能。允許采用進(jìn)給量可達(dá)0.035英寸/轉(zhuǎn)。
CVD是在刀片上沉積一層有用的氧化鋁的過(guò)程,這是人們熟知的zui耐熱和抗氧化的涂層。氧化鋁是不良導(dǎo)體,它把刀片與切削變形而生成的熱量隔開(kāi),促使熱量流到切屑中。這是一種*的CVD涂層材料,主要用于在干切時(shí)使用的硬質(zhì)合金車(chē)刀。它在高速切削時(shí)還能保護(hù)基體,是的抗磨料磨損和月牙洼磨損的涂層。
涂層刀片有較長(zhǎng)的壽命,它在干式銑削比濕式銑削更穩(wěn)定。更高切削速度會(huì)使切削溫度進(jìn)一步升高。例如,在14000轉(zhuǎn)/分和1575英寸/分的切削速度下干式切削加工鑄鐵,能把刀片前面的切削區(qū)加熱到600°~700℃。其金屬切除率就類(lèi)似于銑削鋁,這時(shí)在鑄鐵上產(chǎn)生的溫度就高于常規(guī)刀片。
2金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD的選用
切削速度越高就要求刀片材料更耐磨,還要求具有較高的熱硬性。金屬陶瓷、立方氮化硼以及兩種適合精細(xì)加工需要的陶瓷--氧化鋁和氮化硅(現(xiàn)代術(shù)語(yǔ)"陶瓷"包含氧化鋁和氮化硅,而不象過(guò)去單指氧化鋁。),它們的應(yīng)用日漸普及。聚晶金剛石是另一種干式切削情況下使用的刀片材料。在所有這些材料中,它們都有較高的紅硬性和耐磨性,需要權(quán)衡考慮的是脆性較大。
(1)金屬陶瓷
是一種先進(jìn)的硬質(zhì)合金。金屬陶瓷比常規(guī)硬質(zhì)合金能承受更高的切削溫度,但是缺乏硬質(zhì)合金的耐沖擊性、在中型到重型加工時(shí)的韌性、以及在低速大進(jìn)給時(shí)的強(qiáng)度。金屬陶瓷在小的和不變的負(fù)荷時(shí),也象常規(guī)硬質(zhì)合金那樣,有差不多的刀刃強(qiáng)度。但是它在高切削速度下的耐高溫和耐磨性能更好,持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),加工的工件表面更光潔。當(dāng)用于加工軟的和粘性的材料時(shí),它也有較好的抗積屑瘤性能,表面質(zhì)量很好。
好的高溫硬度來(lái)自配料時(shí)加入的鈦的化合物。金屬陶瓷是硬質(zhì)合金的一種型式,它含有堅(jiān)硬的鈦基化合物(碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦),粘結(jié)劑是鎳或鎳鉬。由于金屬型粘結(jié)劑的溫度局限性,典型的金屬陶瓷牌號(hào),在加工的材料硬度超過(guò)HRC40時(shí),不具備足夠高的熱硬性。
金屬陶瓷比起涂層和非涂層硬質(zhì)合金,對(duì)斷裂和進(jìn)給引起的壓力更加敏感。因此,它用于高精度工件和表面質(zhì)量要求較高時(shí)。理想的加工工序是切削那些連續(xù)的表面。
車(chē)削碳鋼時(shí),進(jìn)給量的上限通常是0.025英寸/轉(zhuǎn)。一般用途的銑削,可以在高的主軸速度、中等進(jìn)給量的條件下進(jìn)行。如果滿足這些條件,在大量生產(chǎn)時(shí)金屬陶瓷能長(zhǎng)時(shí)間地保持鋒利的切削刃。如果金屬陶瓷是在傳統(tǒng)的切削速度和進(jìn)給量下使用,比起硬質(zhì)合金刀能改善了刀片壽命和表面質(zhì)量,也能提高生產(chǎn)率,對(duì)于切削合金鋼時(shí)其提高幅度為20%,對(duì)于切削碳鋼、不銹鋼和軟鐵時(shí)為50%。
(2)陶瓷
陶瓷刀片類(lèi)似于金屬陶瓷,它比硬質(zhì)合金有更高的化學(xué)穩(wěn)定性,可在高的切削速度下進(jìn)行加工并持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。純氧化鋁可以耐非常高的溫度,但是它的強(qiáng)度和韌性很低,工作條件如果不好,容易破碎。
為了減低陶瓷對(duì)破碎的敏感性,在企圖改善其韌性、提高耐沖擊性能時(shí),加入了氧化鋯或加入碳化鈦與氮化鈦的混合物。盡管加入了這些添加劑,但是陶瓷的韌性比硬質(zhì)合金還是低得多。
另一個(gè)提高氧化鋁陶瓷韌性的方法是在材料中加入結(jié)晶紋理或碳化硅晶須,通過(guò)這些特殊的平均起來(lái)僅有1納米直徑,20微米長(zhǎng)很結(jié)實(shí)的晶須,相當(dāng)程度地增加了陶瓷的韌性、強(qiáng)度和抗熱沖擊性能。在組成上,晶須可高達(dá)30%。
象氧化鋁一樣,氮化硅比硬質(zhì)合金有更高的熱硬性。它耐高溫與機(jī)械沖擊的性能也比較好。與氧化鋁陶瓷相比它的缺點(diǎn)是在加工鋼時(shí)它的化學(xué)穩(wěn)定性不很好??墒牵玫杼沾煽稍?/span>1450英尺/分或更高的速度下加工灰鑄鐵。
雖然使用陶瓷刀加工效率可以很高,但是應(yīng)用必須正確。例如,陶瓷刀不能用于加工鋁,而對(duì)灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬硬鋼和某些未淬硬鋼、耐熱合金則特別適合。可是對(duì)這些材料而言,應(yīng)用得成功還有賴(lài)于開(kāi)始切削之前刃口外觀的準(zhǔn)備、機(jī)器和裝備的穩(wěn)定性和選用*的加工參數(shù)。
(3)CBN
CBN是一種非常硬的刀材料,通常用來(lái)加工硬度高于RC48的材料,它有*的高溫硬度--高達(dá)2000℃,盡管比硬質(zhì)合金要脆得多,比陶瓷耐熱性和化學(xué)的穩(wěn)定性要差,但是它比陶瓷刀有較高的沖擊強(qiáng)度和抗破碎性能。對(duì)于切削淬硬金屬時(shí),機(jī)床剛性可以稍差。此外,一些特制的CBN刀能抵御高功率粗加工的切屑負(fù)荷,間斷切削的沖擊以及精加工時(shí)的磨損和切削熱。
對(duì)于要求嚴(yán)格的零件,應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以提高機(jī)器和裝備的剛性。刃口倒鈍應(yīng)足夠大以防止微觀剝落和使刀基體上有一定厚度的CBN層,這就能使刀在高速、重負(fù)荷、劇烈的間斷負(fù)荷下工作。這些特點(diǎn)使CBN成為粗加工淬硬鋼和珠光體灰鑄鐵所選用的刀材料。
刀帶有一薄層CBN是比較脆弱的,但是它用于加工淬硬的鐵合金又是比較好的刀材料。CBN具有低的導(dǎo)熱系數(shù)和高的壓縮強(qiáng)度,經(jīng)受得了由于高切削速度和負(fù)前角產(chǎn)生的切削熱。在切削區(qū)內(nèi)由于較高的溫度使工件材料軟化,有助于切屑的形成。負(fù)的幾何角度穩(wěn)定了切削刃,改善了壽命和允許在小于0.010″的淺切深下進(jìn)行加工。
在干式車(chē)削淬硬工件的情況下,由于CBN刀可以加工出小于16微英寸的表面質(zhì)量,并能控制±0.0005″的精度,因此常用它取代磨削工序。CBN刀很適合淬硬車(chē)削和高速銑削加工。而對(duì)于這個(gè)應(yīng)用范圍,陶瓷和CBN是重疊的。因此,進(jìn)行成本效益分析是非常必要的,以確定哪一種材料將提供的效果。
(4)PCD刀
聚晶金剛石作為zui硬的刀材料,它是zui耐磨的。它的硬度和耐磨性來(lái)自各金剛石晶體間無(wú)一定方位的粘結(jié),這種晶體方位各異的排列抑制了裂紋的擴(kuò)展。使用時(shí),將PCD小片粘結(jié)到硬質(zhì)合金刀片上,這可增加它的強(qiáng)度和抗沖擊性能,其壽命是硬質(zhì)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對(duì)黑色金屬中鐵的親和力,引起化學(xué)反應(yīng),這種材料只能用于加工非鐵零件。其二是PCD不能經(jīng)受切削區(qū)超過(guò)600℃的高溫。因此,它不能切韌性、高延展性材料。
PCD特別適于加工有色金屬,特別是對(duì)摩擦很厲害的高硅鋁合金。采用鋒利的切削刃和大正前角切削這些材料,使切削壓力和積屑瘤達(dá)到zui小。
刃口強(qiáng)化、幾何參數(shù)與排屑
盡管近幾年物理的進(jìn)步與應(yīng)用開(kāi)發(fā),用金屬陶瓷、陶瓷、CBN和PCD制造的刀仍然是比硬質(zhì)合金要脆得多,不能經(jīng)受太多的壓力,因此用這些材料制造的刀必須結(jié)合其特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),即對(duì)它加強(qiáng)支撐、分散壓力。
這一點(diǎn)很重要。例如,為了要改變磨削力的方向,使力從切削刃往里向著刀體,切削刃必須經(jīng)過(guò)加工--刃口準(zhǔn)備。有這樣三種刃口準(zhǔn)備而且其大小還要適當(dāng):T型刃帶、強(qiáng)化、T型刃帶強(qiáng)化。
T型刃帶
就是一個(gè)倒棱--在刃口上磨出的窄的平面,以取代較脆弱而鋒利的刀刃。刀片設(shè)計(jì)者的一個(gè)重要任務(wù)就是要找出zui小的平面寬度和能賦予刀刃適當(dāng)強(qiáng)度和壽命的角度;因?yàn)榇蟮膶挾群图訌?qiáng)刀片的角度無(wú)疑會(huì)增切削力。
強(qiáng)化
就是圓整一下鋒利的刃口。雖然強(qiáng)化不象T型刃帶那們有棱有角,但是強(qiáng)化對(duì)用于精加工的先進(jìn)的刀片材料效果很好。這些強(qiáng)化刀應(yīng)該用于淺切深、低速進(jìn)給、并保持切削壓力zui小。
T型刃帶強(qiáng)化
當(dāng)強(qiáng)化用于倒棱的前面與后面相交處時(shí),也能加強(qiáng)T型刃帶。在應(yīng)用中,微小的剝落發(fā)生時(shí)(就象用陶瓷刀粗車(chē)鋼),強(qiáng)化能分散這些點(diǎn)上的壓力,沒(méi)有使倒棱變大而加強(qiáng)了刃口。
設(shè)計(jì)者除了針對(duì)工件確定的刀刃口外,還必須優(yōu)化刀的幾何角度和排除切屑能力。通過(guò)增加后角來(lái)減小切削力和對(duì)刀的壓力,也降低了切削區(qū)的溫度。要使正前角盡可能地大,這樣由于較好的剪切作用能減少切削力。寬闊的容屑槽有助于切屑的排除,尤其是對(duì)鉆削和螺紋加工。
另一個(gè)使切削力降低的方法是在高速下切削。為了提率,寧可在很高的主軸速度下,把大的進(jìn)給量減小,而不用增加進(jìn)給量的方式。此外,現(xiàn)在的銑刀比五年前要得多,銑床和車(chē)床的機(jī)械穩(wěn)定性、剛性也更高了,因而排除了可能的振動(dòng)。所有這些都有利于脆的、較硬和耐磨的刀片材料的應(yīng)用。
應(yīng)用能抗高溫刀的另一個(gè)有利因素是切屑形成有*的效率。例如切削鑄鐵,熱量使切削區(qū)的材料成為可塑體,這樣就降低了切削區(qū)工件材料的強(qiáng)度。其結(jié)果是比普通粗加工金屬切除率增加三倍。因?yàn)檫M(jìn)給速度很高,刀對(duì)金屬材料切除得非???,以至大量的熱量停留在切屑中,沒(méi)有時(shí)間傳到工件和使它變形。盡管切削溫度很高,工件溫升卻很小,比起在常規(guī)用量下切削所得到的工件精度也要高。
用低軸向力精加工也能使工件、夾具、機(jī)床靜變形zui小化。這樣的工序要求利用粗齒銑刀,低進(jìn)給和銑刀高轉(zhuǎn)速。由于夾持工件所需夾緊力小,工裝夾具可以簡(jiǎn)單。對(duì)于棱形工件有較寬敞的銑刀通道。
干式切削需要考慮的事項(xiàng)
采用干式切削加工時(shí),選定正確的機(jī)床和恰當(dāng)?shù)难b備是很重要的。因?yàn)樗俣忍貏e快,材料又常常較硬,干式切削加工時(shí)切削溫度很高,機(jī)床必須剛性足、馬力大。
在加工中心上進(jìn)行干式切削之前,操作者應(yīng)該盡量保持其工具伸出長(zhǎng)度較短,主軸是處在剛度*的情況下,還要考慮機(jī)床的速度、額定功率。
談到車(chē)床工近凈成型(nearnetshape)的和淬硬的零件,刀的轉(zhuǎn)塔可以對(duì)著機(jī)床剛性強(qiáng)的方向進(jìn)行加工,因?yàn)檫@個(gè)方向的長(zhǎng)導(dǎo)軌能把切削力分散。設(shè)計(jì)得好的機(jī)床,能直接在短導(dǎo)軌上分散這些切削力,并且刀架由zui少的零件組成,卻能移動(dòng)和支撐刀。在相對(duì)于柔性更重視精度時(shí),則應(yīng)該考慮用螺栓將一組刀直接固定在橫拖板上避免回轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)。
熱穩(wěn)定性對(duì)精度是非常關(guān)鍵的。一些制造商采用軟件提高了他們的加工中心的精度,這些軟件補(bǔ)償了溫度的影響。然而,控制溫度應(yīng)該從有效地排除熱切屑開(kāi)始,因此要排除密封的工作區(qū)內(nèi)部重要的熱源。
的機(jī)床設(shè)計(jì),機(jī)床里沒(méi)有那些能聚集切屑的洼坑和高臺(tái)。用排屑螺旋與傳送器盡快將切屑排出機(jī)床外,而不用切削液協(xié)助沖走。如果排屑出了問(wèn)題,用壓縮空氣取代液體。
為了保護(hù)滾珠絲杠、導(dǎo)軌,伸縮套管,防護(hù)罩、密封條和灰塵收集器還是需要的。如果需要一臺(tái)干切削的機(jī)床,可以把原來(lái)設(shè)計(jì)好的機(jī)床從濕式切削操作轉(zhuǎn)變?yōu)楦墒角邢鞑僮鳎ǔR彩潜容^便宜。需要添加的灰塵收集器和空氣傳送系統(tǒng),比濕式切削加工相應(yīng)的油霧收集器和冷卻泵稍微貴些。
用干式切削加工操作成本也是比較低的,因?yàn)樗苊饬死鋮s液的管理和處理費(fèi)用,其次是壓縮空氣耗電比冷卻泵要少。因此,干式切削的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。