绿色制造—高速干切削概述

绿色制造—高速干切削概述 高速切削是当今世界制造业中一项快速发展的高新技术，在现代工业发达国家，高速切削作为一种新的切削加工理念，被越来越多的机械工程师所认可，而高速切削所带来的高速切削效率和高切削精度，可以满足制造业不断发展的需要。随着科学技术的发展，高速机床与高速切削刀具相继出现，目前高速切削加工在航空航天、模具、汽车等行业已经得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益。二十世纪九十年代以后，工业发达国家的机械制造业在政府环保立法和降低生产成本的双重压力下，提出了“绿色制造”的新概念。 1 高速干切削对刀具的 高速干切削既是采用高效率的高速数控加工手段，由此获得高精度、高柔性，同时又限制使用切削液，消除了切削液带来的种种负面影响（如增加成本、污染环境、危害工人健康等），因此它是符合可持续发展要求的先进制造技术。高速切削过程中，大部分的切削热被切屑和刀具承载，其中切屑被快速处理，而刀具却持续承受切削热和切削力，因此要求刀具又很高的红硬性和高温稳定性。不同的切削加工方式对刀具提出了不同的要求，干式切削刀具必须满足以下条件[1]：a.刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性；b.切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小；c.刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热；d.刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。 2 高速干切削的散热问题 有效散热是实现干式切削需要解决的关键问题。为尽量减小刀具加工时产生的切削热，刀具几何形状的设计应使刀具具有小的切削力和摩擦力。 干式切削刀具材料必须具有良好的耐高温性能。对于大前角刀具必须采用高硬度材料。目前适合于干式切削加工的刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。 3 刀具涂层技术 在干切削过程中，刀具涂层可起到以下作用：①在刀具与被切削材料之间形成隔离层；②减少摩擦力及摩擦热，提供低摩擦层取代切削液的润滑作用；③提供低导热层，通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击。刀具通过涂层处理，可实现固体润滑，减少摩擦和粘结，使刀具吸收热量减少，可承受较高切削温度。干切削刀具较多采用涂层，涂层厚度在1-5?滋m之间。目前刀具材料及涂层方法层出不穷，如具有低摩擦系数的晶格双硫化合物的高温难熔金属构成的软涂层，高硬度、高热稳定性的金刚石薄膜涂层，以及由多种涂层材料组合构成的纳米级涂层和为被加工材料量身定做的专用涂层等等。它们各自具有不同的切削性能，满足不同的切削要求。在各类涂层中，应用最广的涂层材料氮铝化钛（TiAlN）硬度高达HV3500，工作温度高达799℃，而且有良好的抗化学磨损性能，但自润滑性能较差，如果在TiAlN涂层上面再涂覆一层材料WC/C，将大大改善刀具性能，提高面加工质量，能有效延长刀具寿命3～4倍。 刀具涂层CVD技术自20世纪60年代出现以来，在硬质合金可转位刀具上得到了极为广泛的应用。在CVD工艺中，气象沉积所需金属源的制被相对容易，可时施TiN、TiC、TiCN、TiBN等单层几多元、多层复合涂层，其涂层与基体结合强度高，涂层厚度薄，可小于7~9um，相对而言，CVD具有更好的耐磨性。20世纪80年代中后期，美国85%的硬质合金刀具都进行了涂层处理，其中CVD涂层占99%，20世纪90年代中期，CVD涂层硬质合金刀具在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。但CVD工艺也有先天性的缺陷：一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部处于拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生；三是CVD工艺所排放的废气、废液会造成环境污染，与目前提倡的环境污染相抵触，年个因此20世纪90年代中期以后，高温CVD技术的发展受到了一定的制约。真正引起CVD技术发生突变的是20世纪90年代中期新型MT-CVD（中温化学气象沉积）技术的出现。新型MT-CVD涂层技术是以含C/N的有机乙青。MT-CVD涂层刀片适合与高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用，其寿命可比普通涂层刀片提高一倍。 刀具的涂层材料主要是一些具有高硬度的耐磨化合物， 碳化钛（TiC）是一种高硬度耐磨化合，具有良好的抗摩擦损性能。氮化钛（TiN）的硬度稍低，但具有较高的化学稳定性，可大大减少刀具与工件之间的摩擦系数。这两种化合物都是比较好的涂层材料，但是单一的涂层都是很难满足高速切削的要求。氧化铝材料具有非常好的抗氧化磨损和抗散磨损性能由于与基体材料的物理、化学性能差别太大，单一材料涂层无法制成理想的涂层刀具。 近年来，超硬涂层材料研究成功并投入使用。金刚石涂层刀具和金刚石膜片烧结在硬质合金刀片上，涂层工艺可以在刀具各几何面上均匀涂镀金刚石薄膜，并具有足够的连接强度。金刚石涂层刀具在立铣刀、硬质合金麻花钻、可转位刀片和其他成形刀具已有很多产品，再加工黑色金属和纤维材料中可以发挥很好的效益，刀具寿命比未涂层硬质合金刀句提高数十倍。CBN涂层的硬度仅次与金刚石，可有效的淬火钢和其他难加工合金材料。和普通刀具相比，生产率可提高20倍以上，刀具寿命可提高7倍以上，而且可以获得更好的加工质量。其他新型硬涂层材料，如多金氮化物、超点阵超应涂层材料的开发应用也正进行，已经显出良好的发展效果。表1列出的硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石五种刀具材料都有较高的红硬性和耐磨性，是目前高速和干式切削中应用最为普遍的几种，作为高速干切削刀具材料它们各有优缺点，适用于不同应用场合，我们可以依据需要进行选择。 另外，高速干切削刀具在大多情况下，都是针对某种材料的具体工艺要求专门设计制作的，这就允许在刀具设计中融入高效冷却手段或进行刀具结构和几何参数的独特设计，如在切削发热严重时，刀具前刀面可加一个液氮循环冷却装置，既可降低温度，又可防止刀具的高温氧化;又如在大多数情况下，连续的切屑是很难处理的，这时需要设计出合适的刀具断屑槽或流动方向，有利于切屑处理。  如有侵犯著作权，请与上传者联系，必将尽快删除，谢谢~~