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干切削的优势与应用

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仅仅20年前,切削液还是比较便宜的,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,发生了戏剧性的变化:如今的切削液费用估计达每年几十亿美元,且占生产成本比重高达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,尤其是那些含油的切削液,已成为巨大的负担。不管某种切削液有多么安全和环保,政府法令仍将要求你从倾倒到池里的那一刻起就进行特殊处理。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,如果它们含油和某些合金,更要加强严格控制。


因为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。环境保护局已经计划出台更严格的针对控制这些空气里微粒的标准,进一步提高机加工企业的计划成本和责任。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,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取消切削液的愿望,但他们不能确定能否做得到。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。很多从湿式加工转变到干加工的可见成本也很高。但如今都不成为问题。实际上,在很多加工中,常规操作应该是干加工。再者,干车削硬材料和高速干铣削不仅是可行的,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对于取得较好光洁度和更长刀具寿命是必不可少的传统认识。虽然现实中切削液对于许多加工仍然是必要的,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,并非一定要使用切削液。先进的硬质合金材质牌号,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削更有效率。实际上,在断续切削时,切削区温度越高,越不适合使用切削液。


这种似乎与直觉相反的趋势原因在于:切削区温度变得非常高,通常超过1000℃,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,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。虽然在干切削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。随之发生的热冲击会在刀片上产生应力,并会使其过早破裂。


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,暴露在冷却液里的未涂层硬质合金刀片能承受显着的热冲击少于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,显着缩短刀具寿命。因为大多数车削加工少于40秒,对于刀具寿命来说,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,也能降低需要的加工扭矩。虽然涂层钻头在某种程度上会增加切削液的润滑效果,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,是否采用干切削取决于具体的加工案例。润滑液通常针对低速加工、难加工材料和对表面光洁度有要求的加工场合,而冷却能力强的切削液会提高高速加工、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。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。在越来越多的加工中,切削液简直是不必要的或有害的,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。


用涂层处理热量


涂层通常是当今不再需要切削液的另一个原因。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。涂层的作用就像热屏障,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,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进行更高速的切削。


厚度范围在2~18μm的涂层在刀具性能里扮演着重要角色。因为薄涂层比厚涂层在快速冷却和加热过程中引起应力更低,并且不易破裂。对于断续切削,这个厚度范围较薄的一端承受温度波动的能力更佳。在相同的应力下,厚涂层在加热或冷却太快时容易破裂。因此,用薄涂层刀片进行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沉积(PVD)的一个重要原因。和相对应的化学气相沉积(CVD)涂层相比,PVD涂层更薄,粘着力更佳。除了更薄以外,它们的沉积温度也要低很多。所以在车削和铣削刀具中,更多使用锋利的切削刃和大的正前角。


虽然氮化钛(TiN)占到所有涂层刀具的80%,但氮铝化钛(TiAlN)作为针对高速精加工的最佳PVD涂层出现了。在连续高温切削(如高速车削)时,TiAlN超过TiN性能的3倍。在干铣削和小直径深孔钻削时,由于切削液很难渗透,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能力最好的PVD涂层。其硬度高达Hv3500,而且工作温度高达1470F°。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氧化铝膜。


应用更薄的多层PVD涂层使其更适合于干切削的研究正在进行之中。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涂层有着强烈的兴趣,与之相对应的CVD涂层对于大多数黑色金属工件材料来说一直很受欢迎。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。这种设计可提高耐磨性,且能用超过0.076mm/r~0.89mm/r的进给量进行加工。


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,但是对于传统切削刀具来说,加工灰铸铁时产生的温度太高。


因此,更高的切削速度将要求使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(如今,“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)很适合这种要求。聚晶金刚石(PCD)也是一种适合干切削的刀具材料(虽然不适合加工黑色金属)。然而,所有这些材料虽然具有很好的红硬性和抗磨料磨损性能,但其缺点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。然而,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,持续时间更长且表面光洁度更佳。对于延展性好和粘性高的材料,在抗积屑瘤的形成和生成良好表面光洁度方面,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过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引起的应力要敏感得多。因此,它在要求高精度和良好光洁度的高切削速度、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合适的进给量下进行普通铣削加工。


如果保持在这些加工条件限制内,在大批量生产情况下,金属陶瓷能长时间保持锋利的切削刃。虽然金属陶瓷能在传统切削速度和进给率下提高刀具寿命和表面光洁度(与硬质合金相比)而值得使用,但它也能通过提高切削速度(加工合金钢时可提高20%,加工碳钢、不锈钢和球墨铸铁时可提高50%)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,如果工况不佳的话,较低的强度和韧性的组合会使它容易破损。为了降低其破裂敏感性,刀具制造商或者添加少量氧化锆来提高韧性,或者掺入20%~40%的碳化钛和氮化钛来提高其抗冲击性和热导性。但是,其韧性仍然比硬质合金低得多。


另一种提高氧化铝陶瓷韧性的方法是加入用于增韧补强的碳化硅晶须。虽然这些晶须典型的平均直径只有1μm,长度为20μm,但它们具有很高强度,并能显着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能力更强。与氧化铝陶瓷相比,它的主要缺点是加工钢件时化学稳定性不如氧化铝好。尽管如此,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。


虽然使用陶瓷刀具能达到很高的金属切除率,但必须正确地应用。举例来说,陶瓷刀具并不适合加工铝,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,使用是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。虽然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破裂性,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。


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帮助断屑,而负前角可强化刀具、稳定切削刃、提高刀具寿命,并允许小于0.25mm的切深。


因为CBN刀具能获得优于0.4μm的表面光洁度并保持±0.012mm的同轴度,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重叠,故而有必要用成本-效益分析来决定谁能获得最优结果。


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能力最佳。其硬度和耐磨性来自晶体各向异性和金刚石颗粒之间的牢固结合能够阻止裂纹扩展。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。


然而,其它一些特性使其不适合用于许多加工操作。其中之一是PCD与黑色金属中的铁具有亲合性,由此产生的化学反应使这种刀具材料不适合加工有色金属。另一个受限特性是它无法承受超过600℃的切削区高温,因此PCD不适合切削加工抗拉强度高的工件材料。


尽管如此,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。锋利的切削刃和大正前角对于高效剪切这种材料和减小切削力、抑制积屑瘤非常关键。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,它能保持剪切工件所必须的锋利切削刃。


强化切削刃与减轻加工载荷


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。


设计这种刀具的一个重要部分是切削刃的刃磨,它可使切削力偏离刀片刃口改变方向传入基体。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。虽然它们不提供与负倒棱相同的抗微崩刃保护作用,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%~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。


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小的夹紧力,所以能够简化夹具,不需要一个有加强筋、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。


机床是否适合干加工


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,对于加工中心,使用者应该努力缩短刀具悬伸量,并且,除了考虑速度和功率外,还要判断主轴的内在刚性。


在车床上切削接近成型的零件和淬硬零件时,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。


对于加工精度来说,热稳定性也很关键。所以,一些机床制造商用软件补偿热膨胀的办法来改进其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。如果需要用切削液协助排屑的话,考虑用压缩空气来代替切削液。


为了保护滚珠丝杠和导轨,避免操作工吸入空气中的灰尘,还需要安装伸缩盖、防护罩、密封和吸尘装置。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。它的吸尘装置和压缩空气输送系统也比相应湿式加工需要的油雾收集器和冷却泵更便宜,运行成本也由于干加工取消了冷却液管理和处理费用而大幅下降。此外,干加工可使你从现在和将来的切削液使用责任规章制度中解放出来。

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