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切削刀片基礎知識

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一個一般的機加工車間每年可能要消耗數千枚切削刀片。一位操作工人可能每天都要使用許多切削刀片,但卻從來沒有細想過在這些刀片背后蘊藏的復雜科學知識。了解一些有關切削刀片的制造工藝技術,對于刀具的正確使用和性能優化將會大有裨益。


硬質合金刀片的成分


與所有人造制品一樣,制造切削刀片首先要解決原材料的問題,即確定刀片材料的成分與配方。現在的大部分刀片都是由硬質合金制成,其主要成分為碳化鎢(WC)和鈷(Co)。WC是刀片中的硬質顆粒,而Co作為結合劑可使刀片成形。


改變硬質合金特性最簡單的方法就是通過改變所用WC顆粒的晶粒尺寸。用粒度較大(3-5μm)的WC顆粒制備的硬質合金材料硬度較低,比較容易磨損;用粒度較?。ǎ?μm)的WC顆粒則可以生產出硬度較高、耐磨性較好,但脆性也較大的硬質合金材料。在加工硬度非常高的金屬材料時,采用細晶粒硬質合金刀片可能會獲得最理想的加工效果。而另一方面,粗晶粒硬質合金刀片在斷續切削或其他對刀片韌性要求較高的加工中性能更為優越。


控制硬質合金刀片特性的另一種方法是改變WC與Co的含量比例。與WC相比,Co的硬度低得多,但韌性更好,因此,減少Co含量將獲得硬度更高的刀片。當然,這再一次提出了綜合平衡的問題——硬度更高的刀片具有更好的耐磨性,但其脆性也更大。根據具體的加工類型,選擇適當的WC晶粒尺寸和Co含量比,需要相關的科學知識和豐富的加工經驗。


通過應用梯度材料技術,在一定程度上可以避免在刀片強度與韌性之間進行妥協取舍。這項全球主要刀具制造商均已普遍應用的技術包括,在刀片的外層采用比內層更高的Co含量比。更具體地說,就是在刀片的外層(厚度為15-25μm)增大Co含量,以提供類似于“緩沖區”的作用,使刀片可以承受一定的沖擊而不會破裂。這就使刀片的刀體可以獲得采用強度更高的硬質合金成分才能實現的各種優異性能。


一旦確定了原材料的粒度、成分等技術參數,就可以開始切削刀片的實際制造流程。首先將符合配比的鎢粉、碳粉和鈷粉放入一個尺寸與洗衣機差不多大的碾磨機中,將粉料碾磨到所需要的粒度,并將各種材料均勻混合。在碾磨過程中加入酒精和水,制備出一種濃稠的黑色漿料。然后將這種漿料放入一臺旋風干燥機中,將其中的液體蒸發以后,就獲得了團塊狀的粉料,并將其貯存起來。


在下一步制備工藝中,可以獲得刀片的雛形。首先,將制備好的粉料與聚乙二醇(PEG)混合,PEG作為一種增塑劑,可將粉料像面團一樣臨時粘結在一起。然后在壓模中將材料壓制成刀片的形狀。根據不同的刀片壓制方法,可以采用單軸壓機進行壓制,也可以采用多軸壓機從不同的角度壓制出刀片形狀。


獲得壓制成形的坯料后,將其置于一個大型燒結爐中,在高溫下進行燒結。在燒結過程中,PEG從坯料混合物中被融化排出,最后留下硬質合金刀片的半成品。當PEG被融出后,刀片收縮到其最終尺寸。這一工藝步驟需要進行精確的數學計算,因為根據不同的材料成分和配比,刀片的收縮量也各不相同,而且要求將成品的尺寸公差控制在幾個微米以內。


刀片涂層的制備


此時,產品的形態已經與最終的成品刀片相差無幾。但是,為了獲得最佳切削性能,還必須對刀片進行表面涂層。最常用的刀片涂層工藝是化學氣相沉積(CVD)工藝,即通過高電流將某種金屬靶材離子化,然后通過蒸發冷凝沉積到刀片上??梢越庖還絳蝸蟮乇扔魑?,當柏油路面的溫度變得非常低,而空氣中又充滿高濃度的水汽時,就會在路面上形成一層薄冰。不過,與此不同的是,雖然置于涂層爐中的刀片溫度相對較低,但實際爐溫可能超過480℃。


另一種常用的刀片涂層工藝是物理氣相沉積(PVD)工藝。與CVD工藝相比,采用PVD技術可以沉積出更薄的涂層,從而可使切削刃更鋒利,在切削難加工材料(如淬硬鋼、鈦合金和耐熱超級合金)時可獲得更優異的切削性能。


在典型的刀片CVD涂層工藝中,刀片上涂覆的第一層涂層為氮碳化鈦(TiCN)。這種涂層材料能提供優異的耐磨性,而且還具有易于與硬質合金基體粘結的優點。通常,氧化鋁(Al2O3)被用作第二層涂層。這種涂層具有極佳的熱穩定性和化學穩定性,能?;さ鍍饈芮邢鞲呶潞屠淙匆褐謝С煞值牟煥跋?。


TiCN和Al2O3涂層的厚度主要取決于刀片的加工類型。例如,車削加工硬材料時,需要對刀片進行充分?;?,因此每種涂層的厚度可能都需要達到10μm。而對于軟材料的精加工,涂覆5μm厚的TiCN層和2μm厚的Al2O3層可能更為適當。


完成了TiCN和Al2O3涂層的制備后,切削刀片在使用功能上已接近成品。遺憾的是, Al2O3涂層的顏色是全黑色,使用者很難分辨刀片的哪些工作面已經使用過,以及切削刃是否已被磨損。為了解決這一問題,大多數刀具制造商都會在刀片上最后再涂覆一層氮化鈦(TiN)涂層。這種亮金色的涂層具有很好的可視性,使用者可以通過其顏色的變化,很容易地評估切削刀片的磨損狀態。


過去,涂覆完TiN涂層就標志著切削刀片的制造全部完成。但近年來,還有最后一道工序已變得逐漸普及。在CVD或PVD涂層工序中,當刀片冷卻時,不同涂層材料的收縮程度各不相同。因此,在各層涂層中會產生應力,并出現微裂紋。為了消除這些應力,并最大限度地減少微裂紋,人們采用了一種用酒精、氧化鋁和細砂的混合物對刀片進行噴砂處理的先進技術。在噴砂處理完成后,切削刀片的制造就大功告成了。


刀片幾何形狀的作用


一提到切削刀片的幾何形狀,大多數刀具制造商都會馬上開始描述刀片的宏觀幾何形狀(物理外形)。而一個近年來快速發展的研究領域——刀片切削刃微觀幾何形狀的優化——值得予以高度重視。


在宏觀水平上,刀片幾何形狀的優化主要涉及為實現切屑控制而可能采用的最佳外形。根據不同的工件材料和加工方式,采用不同的刀片形狀和角度能夠提供斷屑和將切屑從切削區排出的最優結果。刀片宏觀幾何形狀的設計與優化已是一個相當成熟的技術領域,大部分主要的刀具制造商都精通此道。


直到最近幾年,技術的發展才達到了能夠控制刀片微觀幾何形狀的水平。利用先進的加工技術,可以在刀片的切削表面制備出圓形、橢圓形或帶角度的切削刃,還可以將微小的倒棱或溝槽引入刀片切削刃。隨著各種創新技術的應用,人們能夠在微小尺度上對刀片進行鈍化處理和測量,從而使刀片的使用壽命和加工穩定性獲得了極大提高??梢韻嗟笨隙ǖ卦て?,今后的技術進步將進一步推動該領域的發展,并將取得更顯著的成果。


陶瓷刀片技術


盡管絕大多數切削刀片都用硬質合金制造,但用其他材料制造的刀片正日益增多。其中,陶瓷刀片可能是一種最主要的非硬質合金刀片。隨著耐熱合金材料(如Inconel合金)在航空工業和其他行業零部件中的應用日趨廣泛,陶瓷刀片在對這些難加工材料的加工中表現出了優異的切削性能。


陶瓷刀片的制造工藝與硬質合金刀片非常相似。由于陶瓷不像其他材料那樣容易粘結,因此在燒結時必須采用高得多的溫度和壓力。


通常,在陶瓷刀片中使用碳化硅(SiC)晶須能夠增加其強度。這些細小的纖維可以起到用鋼筋來強化混凝土的相同作用。過去,在陶瓷中添加SiC的強化效果相對較小,但近年來的技術突破已經改變了這種狀況。新的工藝可使SiC晶須定向于特定的方向,從而大大提高了強化效果。與其他刀片材料相比,陶瓷的脆性更大,也經?;岢魷秩畢?。加入正確定向的SiC晶須可以顯著減緩陶瓷刀片的碎裂失效過程,因為刀片中的微裂紋需要更大的能量,才能穿過整齊排列的晶須。隨著這種技術和其他類似技術的繼續發展,陶瓷刀片將成為一種適合各種加工的、更具可行性的解決方案。


從切削刀片中獲得更多收益


從購買決策的角度來看,對于切削刀片,需要牢記的、最重要的事情是不過忽略那些難以觀察到的方面。如果不通過切削試驗,即使仔細檢查,可能也很難分辨出優質刀片與劣質刀片的差別。因為刀片的外表都差不多而選用廉價刀片,將不可避免地在以后的加工中增加成本。


在選擇刀片牌號時,理想的做法是咨詢刀具制造商的技術專家。除此之外,還可以利用一些基本概念,來縮小可供選擇的刀片范圍。大部分刀具制造商都采用一種可以反映刀片特性的方式來給它們編號。為了查找所需刀片的類別,加工車間最好從產品目錄的中間開始,根據其性能向前或向后查找。


最后,如果某種刀片沒有達到最佳切削性能,可以找到一些有助于確定解決方案的證據。用放大鏡仔細觀察刀片的切削刃,就可以揭示問題的實質。如果檢查表明,刀片切削刃出現了明顯的磨料磨損或微小變形,說明刀片硬度偏低,需要換用硬度更高的牌號。如果刀片發生了崩刃,切削刃出現了小塊缺失,則可能需要改用硬度較低、韌性較好的牌號。通過了解切削刀片是如何制造的,以及如何為特定的加工定制不同的刀片牌號,就可以采取各種具有針對性的措施,來提高加工效率和降低加工成本。

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