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干切削的優勢與應用

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僅僅20年前,切削液還是比較便宜的,且占多數加工過程的比重小于3%。所以很少有機械加工廠對它們關注很多。在那以后,隨著時間的推移,發生了戲劇性的變化:如今的切削液費用估計達每年幾十億美元,且占生產成本比重高達15%。現在,機加工行業無時不刻都在為他們的切削液擔憂。


切削液,尤其是那些含油的切削液,已成為巨大的負擔。不管某種切削液有多么安全和環保,政府法令仍將要求你從傾倒到池里的那一刻起就進行特殊處理。即使當地政府允許你從桶中傾倒清潔的不含油的合成液到排水溝,一旦它同在機床里夾雜的油和金屬碎屑混合,它就變成一種受控的工業廢料。不僅美國環境?;ぞ止芾碚庵只旌銜锏拇?,而且許多州和地方政府也已把它們作為有害廢物進行分類,如果它們含油和某些合金,更要加強嚴格控制。


因為很多高速加工和切削液噴嘴產生油霧或工人能呼吸到的氣溶膠,政府機構還限制空氣里切削油霧的允許含量?;肪潮;ぞ忠丫蘋鎏ǜ細竦惱攵鑰刂普廡┛掌鏤⒘5謀曜?,進一步提高機加工企業的計劃成本和責任。職業安全和健康管理局也正在考慮一個咨詢委員會推薦通過一個最大值到0.5mg/m3和作用水平到0.25mg/m3的法令,來限制較低的切削液氣霧允許暴露量。


維護、記錄存檔和遵循現行和計劃的規定所產生的成本正迫使切削液價格迅速上漲。大型工廠支付從幾萬到幾十萬的資金來維護切削液,只要有可能,就安裝和使用合適的附件和油霧收集器以及切屑、碎屑和用過的切削液的處理,來推遲它們的處理。其結果是,很多機加工企業正在就通過干切削來避免費用和伴隨切削液產生的副作用展開討論。


雖然大多數工廠可能承認有取消切削液的愿望,但他們不能確定能否做得到。他們相信,要獲得更高的速度和切削更硬的材料,他們必須使用切削液來維持競爭力。很多從濕式加工轉變到干加工的可見成本也很高。但如今都不成為問題。實際上,在很多加工中,常規操作應該是干加工。再者,干車削硬材料和高速干銑削不僅是可行的,而且有利可圖。其技巧是正確集成刀具、機床和切削技術。


有害無益的切削液


更多采用干切削的最大障礙之一是切削液對于取得較好光潔度和更長刀具壽命是必不可少的傳統認識。雖然現實中切削液對于許多加工仍然是必要的,但是研究表明,有了現代切削刀具材料和當今更高的切削速度,并非一定要使用切削液。先進的硬質合金材質牌號,尤其是有涂層?;さ?,在高速高溫下不使用切削液實際上切削更有效率。實際上,在斷續切削時,切削區溫度越高,越不適合使用切削液。


這種似乎與直覺相反的趨勢原因在于:切削區溫度變得非常高,通常超過1000℃,尤其是在高速切削和硬材料切削時。舉例來說,假定切削液能克服銑刀高速旋轉產生的離心力,切削液在到達切削區之前早已汽化,對那里幾乎沒有冷卻作用。


結果是有一個在當刀片切入切出時產生先天的溫度波動更明顯的區別。隨著刀具的旋轉,當刀片切出時冷卻,然后在切入時再一次被加熱。雖然在干切削時也發生加熱和冷卻循環,但是當有切削液時溫度波動更大。隨之發生的熱沖擊會在刀片上產生應力,并會使其過早破裂。


相似的結果也在車削時發生。譬如當在切削速度高于130m/min時切削碳鋼,暴露在冷卻液里的未涂層硬質合金刀片能承受顯著的熱沖擊少于40秒。這種沖擊通過輕微增加前刀面磨損和劇烈的后刀面磨損,顯著縮短刀具壽命。因為大多數車削加工少于40秒,對于刀具壽命來說,干車削通常更可取。


另一方面,在鉆削時,為了提供潤滑和把切屑從孔里沖出來,切削液通常是必須的。沒有切削液,切屑會堵在孔里,而且平均表面粗糙度Ra是濕式加工的兩倍。切削液通過潤滑邊緣碰到孔壁的鉆尖,也能降低需要的加工扭矩。雖然涂層鉆頭在某種程度上會增加切削液的潤滑效果,但是,降低切削力的涂層最可能的趨勢是把摩擦降到最低。


因為還沒有用于預測切削液效果和性能的科學模型,是否采用干切削取決于具體的加工案例。潤滑液通常針對低速加工、難加工材料和對表面光潔度有要求的加工場合,而冷卻能力強的切削液會提高高速加工、易切削材料、簡單加工、積屑瘤問題和緊尺寸公差加工的性能。然而,很多時候,切削液提供的額外性能并不值得額外的開銷。在越來越多的加工中,切削液簡直是不必要的或有害的,因為現代切削刀具適合更高的溫度,而且壓縮空氣能從切削區域帶走熱切屑。


用涂層處理熱量


涂層通常是當今不再需要切削液的另一個原因。它們通過抑制從切削區到刀片或刀具的熱傳遞來控制溫度波動。涂層的作用就像熱屏障,因為它有比刀具基體和工件材料低很多的熱導性。因此涂層刀片和刀具吸收較少的熱量,能承受更高的切削溫度,這意味著車削和銑削時,可在不犧牲刀具壽命的前提下進行更高速的切削。


厚度范圍在2~18μm的涂層在刀具性能里扮演著重要角色。因為薄涂層比厚涂層在快速冷卻和加熱過程中引起應力更低,并且不易破裂。對于斷續切削,這個厚度范圍較薄的一端承受溫度波動的能力更佳。在相同的應力下,厚涂層在加熱或冷卻太快時容易破裂。因此,用薄涂層刀片進行干加工通??梢匝映さ毒呤倜?0%。


這是為什么圓刀片和銑刀片通常采用物理氣相沉積(PVD)的一個重要原因。和相對應的化學氣相沉積(CVD)涂層相比,PVD涂層更薄,粘著力更佳。除了更薄以外,它們的沉積溫度也要低很多。所以在車削和銑削刀具中,更多使用鋒利的切削刃和大的正前角。


雖然氮化鈦(TiN)占到所有涂層刀具的80%,但氮鋁化鈦(TiAlN)作為針對高速精加工的最佳PVD涂層出現了。在連續高溫切削(如高速車削)時,TiAlN超過TiN性能的3倍。在干銑削和小直徑深孔鉆削時,由于切削液很難滲透,熱應力很高,TiAlN也比TiN勝出很多。


在相同切削溫度下,TiAlN比TiN更硬,它是目前熱穩定性和抗化學磨損能力最好的PVD涂層。其硬度高達Hv3500,而且工作溫度高達1470F°。雖然沒有人知道為什么會如此,但是科學家猜想,這些特性來自一種當某些高溫下涂層表面氧化時在切屑-刀具接觸面形成的非晶質氧化鋁膜。


應用更薄的多層PVD涂層使其更適合于干切削的研究正在進行之中。這種沉積工藝建立一種由數百層僅幾納米厚的涂層構成。相反,傳統PVD工藝由幾層微米級的涂層沉積而成。


盡管對PVD涂層有著強烈的興趣,與之相對應的CVD涂層對于大多數黑色金屬工件材料來說一直很受歡迎。CVD工藝很高的沉積溫度有助于粘著并且允許基體生成強化刃口和幫助基體抵抗變形的富鈷區。由于它們比PVD涂層更厚,因此需要對切削刃更重的鈍化來防止像墻角厚層涂料的剝落那樣的開裂。這種設計可提高耐磨性,且能用超過0.076mm/r~0.89mm/r的進給量進行加工。


CVD也是唯一使用已知最佳抗熱和氧化磨損的氧化鋁涂層沉積工藝。氧化鋁導熱差,因此隔離切屑形成過程中產生的熱量并迫使熱量流入切屑。使得它成為硬質合金里最適合干加工的優異的CVD涂層。在高速下它?;せ?,是抗磨料磨損和月牙洼磨損的最佳涂層。


先進材料喜歡干加工


雖然涂層材質等級有更好的刀具壽命且在干銑加工時比濕式加工更可靠,但是對于高速加工的要求使切削溫度超越硬質合金刀具的經濟極限。譬如在14000r/min和線速度400m/min下干加工灰鑄鐵,刀具前面的切削區能加熱到600~700℃之間。金屬切除率同那些用更傳統技術銑削鋁接近,但是對于傳統切削刀具來說,加工灰鑄鐵時產生的溫度太高。


因此,更高的切削速度將要求使用具有更高紅硬性和更耐磨的切削刀具材料。金屬陶瓷、立方氮化硼(CBN)和兩種陶瓷(如今,“陶瓷”這一術語包括氧化鋁和氮化硅兩種陶瓷,而不像過去那樣僅指氧化鋁陶瓷)很適合這種要求。聚晶金剛石(PCD)也是一種適合干切削的刀具材料(雖然不適合加工黑色金屬)。然而,所有這些材料雖然具有很好的紅硬性和抗磨料磨損性能,但其缺點是具有較高的易碎性。


金屬陶瓷是一種先進的硬質合金材料。與傳統的硬質合金相比,金屬陶瓷能在更高的溫度下工作,但其耐沖擊性、中等到重載下的韌性以及小進給和大進給時的強度不如硬質合金。然而,在輕載加工時,金屬陶瓷與傳統硬質合金具有大致相等的刃口強度,而且在更高的切削速度下承受溫度和磨損更好,持續時間更長且表面光潔度更佳。對于延展性好和粘性高的材料,在抗積屑瘤的形成和生成良好表面光潔度方面,金屬陶瓷的表現也更好。


更好的紅硬性來自組成刀具材料的鈦化物。金屬陶瓷是陶瓷和金屬的首字母縮略語,是一種包含硬的鈦基化合物(碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦)的燒結碳化物,它以鎳或鎳鉬作為粘接劑,而不像制造傳統硬質合金那樣用鈷作為粘接劑。由于金屬粘接劑的溫度限制,典型的金屬陶瓷材質牌號的紅硬性不能用于加工硬度超過40HRC的工件材料。


與涂層和不涂層硬質合金相比,金屬陶瓷對破損和進給引起的應力要敏感得多。因此,它在要求高精度和良好光潔度的高切削速度、低進給率、小切深加工中表現最佳。理想的加工操作是那些切削時沒有嚴重斷續的情況。車削碳鋼時,進給量的上限通常是0.63mm/r,并且也能在高主軸轉速和合適的進給量下進行普通銑削加工。


如果保持在這些加工條件限制內,在大批量生產情況下,金屬陶瓷能長時間保持鋒利的切削刃。雖然金屬陶瓷能在傳統切削速度和進給率下提高刀具壽命和表面光潔度(與硬質合金相比)而值得使用,但它也能通過提高切削速度(加工合金鋼時可提高20%,加工碳鋼、不銹鋼和球墨鑄鐵時可提高50%)而提高生產率。


陶瓷是刀具材料的一個分支。陶瓷切削刀具同它們相對應的金屬陶瓷相似,對工件材料的化學穩定性好,刀具壽命長,而且能在高速下切削。純氧化鋁有極高的熱阻抗,但強度和韌性較低,如果工況不佳的話,較低的強度和韌性的組合會使它容易破損。為了降低其破裂敏感性,刀具制造商或者添加少量氧化鋯來提高韌性,或者摻入20%~40%的碳化鈦和氮化鈦來提高其抗沖擊性和熱導性。但是,其韌性仍然比硬質合金低得多。


另一種提高氧化鋁陶瓷韌性的方法是加入用于增韌補強的碳化硅晶須。雖然這些晶須典型的平均直徑只有1μm,長度為20μm,但它們具有很高強度,并能顯著增加韌性和抗熱沖擊性。晶須最多能占到總量的30%。


與氧化鋁陶瓷類似,氮化硅陶瓷在比硬質合金能承受的溫度更高的條件下維持良好的紅硬性,并且承受熱沖擊和機械沖擊的能力更強。與氧化鋁陶瓷相比,它的主要缺點是加工鋼件時化學穩定性不如氧化鋁好。盡管如此,氮化硅陶瓷刀具能以435m/min的線速度干式加工灰鑄鐵,氮化硅陶瓷通常被用于加工此類工件。


雖然使用陶瓷刀具能達到很高的金屬切除率,但必須正確地應用。舉例來說,陶瓷刀具并不適合加工鋁,但其加工灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬硬鋼和某些未淬硬鋼以及耐熱合金的效果很好。但即使加工這些材料時,使用是否成功取決于刃口修磨、刀具對工件的性能、機床和夾具的穩定性、采用正確的操作方法和優化的加工參數。


CBN是一種硬度僅次于金剛石的超硬刀具材料,通常在加工硬度大于48HRC的材料時效果最好(加工軟材料時CBN磨損很快)。CBN在溫度高到2000℃是仍具有極佳的紅硬性。雖然CBN比硬質合金更脆,且導熱性和化學穩定性低于陶瓷,但它有比陶瓷刀具更高的沖擊強度和抗破裂性,而且在剛性較低的機床上也能切削硬金屬。此外,恰當定制的CBN刀具能承受大功率粗加工的切削載荷、斷續切削的擊打和精加工所需的耐高溫和耐磨損性能。


對于指定工序恰當的定制包括機床和夾具的剛性、刃口修磨大到足以防止顯微剝落,而且刀具的基體是一種CBN含量高的材質等級。CBN含量高的材質等級對這些指定工序是必須的,因為它們具有刃口重載條件下高速加工要求的高導熱性和韌性以及用于嚴重斷續切削。這些性能使得這種材質等級的刀具材料被用作粗加工淬硬鋼和珠光體灰鑄鐵。


CBN含量低的材質牌號比CBN含量高的牌號更脆,但它們用于加工淬硬黑色金屬時性能更好。它們具有更低的導熱性和相對更高的承受高速切削和負前角所產生熱量的抗壓強度。更高的切削區溫度可以軟化工件材料和幫助斷屑,而負前角可強化刀具、穩定切削刃、提高刀具壽命,并允許小于0.25mm的切深。


因為CBN刀具能獲得優于0.4μm的表面光潔度并保持±0.012mm的同軸度,干車淬硬工件通常是一種有吸引力的替代骯臟的強化冷卻的磨削加工方案。雖然CBN是一種硬車削和高速銑削特別喜歡的刀具材料,但陶瓷和CBN的應用范圍有驚人的重疊,故而有必要用成本-效益分析來決定誰能獲得最優結果。


PCD加工有色金屬時表現突出。作為目前最硬的切削刀具材料,合成聚晶金剛石承受磨料磨損的能力最佳。其硬度和耐磨性來自晶體各向異性和金剛石顆粒之間的牢固結合能夠阻止裂紋擴展。把PCD刀頭焊到硬質合金刀片上,可以增加強度和抗沖擊性,并能延長刀具壽命高達100倍。


然而,其它一些特性使其不適合用于許多加工操作。其中之一是PCD與黑色金屬中的鐵具有親合性,由此產生的化學反應使這種刀具材料不適合加工有色金屬。另一個受限特性是它無法承受超過600℃的切削區高溫,因此PCD不適合切削加工抗拉強度高的工件材料。


盡管如此,PCD在加工有色金屬時表現很好,在加工耐磨高硅鋁合金時尤為突出。鋒利的切削刃和大正前角對于高效剪切這種材料和減小切削力、抑制積屑瘤非常關鍵。在加工磨蝕性大的有色金屬材料時,PCD表現出很好的化學穩定性和耐磨性,它能保持剪切工件所必須的鋒利切削刃。


強化切削刃與減輕加工載荷


盡管自從推出后它們的物理性能提高以及應用領域的發展,由金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD做成的刀具仍然比硬質合金更脆并且不能承受同樣大的應力。因此,由它們做成的刀具需設計成能增強支撐和釋放應力。


設計這種刀具的一個重要部分是切削刃的刃磨,它可使切削力偏離刀片刃口改變方向傳入基體。三種這樣的刃口修磨是恰當的:負倒棱、珩磨、珩磨的負倒棱。負倒棱象切削刃的一個倒角狀的平面,它取代薄弱鋒利的刀尖。這里刀具設計人員的目標是發現使保證切削刃足夠的強度和壽命的最小帶寬和角度,因為寬度和角度增大后刀片得到強化但也增加了切削力。


珩磨用于鈍化鋒利的切削刃。雖然它們不提供與負倒棱相同的抗微崩刃?;ぷ饔?,但珩磨對由先進材料制作的小切深小進給以保持最小切削力的精加工刀片很有效。珩磨也能強化前、后刀面相交處負倒棱的作用。當用陶瓷粗車鋼件發生微崩時,珩磨能釋放該處的應力、強化刀片而不要加寬負倒棱。


除了指定針對某個加工的最佳刃口修磨,刀具設計人員也必須優化切削角度并能排屑。通過加大后角降低切削力讓刀具上的應力減少并降低切削區的溫度。正前角的數值盡可能大,靠更好的剪切作用也減少切削力并加寬卷屑槽空間靠加大排出路徑幫助切屑排出,特別是在鉆削和螺紋加工時。


保持低的切向切削力的另一種方法是高速切削。在很高主軸轉速下的高進給率降低而不是增加對工件的沖擊多達75%~90%,這取決于刀具和加工參數。更進一步,干加工改善切削過程的熱穩定性;銑刀比五年前至少有更準確的大小;而且現代銑削和車削機床變得剛性越好足以消除過度的振動。所有這些發展都支持使用脆但更硬更耐磨的刀具材料。


使用一種能承受高溫的刀具的好處之一是切屑形成十分有效。舉例來講,加工鑄鐵時熱量增加切削區材料的塑性并降低它的屈服強度。其結果是金屬切除率比傳統粗加工增加3倍。因為進給率高,刀具剪切切屑快以致大部分熱留在切屑里而沒有時間流向工件并引起扭曲。盡管切削溫度很高,但工件的熱穩定性更好而且要比在傳統金屬切除率條件下更精確。


沖擊較小的精加工也使工件、夾具和機床以及在高線速度下以每轉更小的進給量使用安裝小刀片低密度材料的刀盤的靜態變形達到最小。因為支撐工件只需很小的夾緊力,所以能夠簡化夾具,不需要一個有加強筋、工件支撐和夾緊元件的復雜夾具系統。結果是機床對箱體零件的各個面進刀更多。


機床是否適合干加工


指定和裝備合適的機床也是這個戰略的一個重要部分。由于速度通常很快、材料通常很硬、切削溫度很高,所以機床一定要剛性好、功率大。因此,對于加工中心,使用者應該努力縮短刀具懸伸量,并且,除了考慮速度和功率外,還要判斷主軸的內在剛性。


在車床上切削接近成型的零件和淬硬零件時,解決了切削力問題后,刀塔能靠機床剛性實現很長的切削行程。一臺設計良好的機床將解決那些沿著短的直接通路的力并且包含盡可能少的移動和支撐刀具的機床零件。在權衡精度和柔性后,你也許認為,直接裝在橫刀架的刀具組能消除回轉分度機構。這種設計能縮短刀具懸伸量,平衡作用于導軌上的切削力,并使支撐面最小化。


對于加工精度來說,熱穩定性也很關鍵。所以,一些機床制造商用軟件補償熱膨脹的辦法來改進其加工中心的機械部分性能。然而,控制溫度變化將開始有效地外排熱切屑來消除工作系統內部的重要熱源。好的機床設計將沒有積聚切屑的腔和托盤而是有不靠切削液幫助就能排出干切屑螺旋推運器和切屑運送裝置。如果需要用切削液協助排屑的話,考慮用壓縮空氣來代替切削液。


為了?;す鮒樗扛芎偷脊?,避免操作工吸入空氣中的灰塵,還需要安裝伸縮蓋、防護罩、密封和吸塵裝置。從濕式加工轉變到干切削的機床設計是可行的,買一臺干加工的機床總體來講費用較低、問題更少。它的吸塵裝置和壓縮空氣輸送系統也比相應濕式加工需要的油霧收集器和冷卻泵更便宜,運行成本也由于干加工取消了冷卻液管理和處理費用而大幅下降。此外,干加工可使你從現在和將來的切削液使用責任規章制度中解放出來。

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