干切削的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用（二）
先進(jìn)材料喜歡干加工
雖然涂層材質(zhì)等級(jí)有更好的刀具壽命且在干銑加工時(shí)比濕式加工更可靠，但是對(duì)于高速加工的要求使切削溫度超越硬質(zhì)合金刀具的經(jīng)濟(jì)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(qū)能加熱到600～700℃之間。金屬切除率同那些用更傳統(tǒng)技術(shù)銑削鋁接 近，但是對(duì)于傳統(tǒng)切削刀具來(lái)說(shuō)，加工灰鑄鐵時(shí)產(chǎn)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(shù)語(yǔ)包 括氧化鋁和氮化硅兩種陶瓷，而不像過(guò)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(diǎn)是具有較高的易碎性。
金屬陶瓷是一種先進(jìn)的硬質(zhì)合金材料。與傳統(tǒng)的硬質(zhì)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(jìn)給和大進(jìn) 給時(shí)的強(qiáng)度不如硬質(zhì)合金。然而，在輕載加工時(shí)，金屬陶瓷與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金具有大致相等的刃口強(qiáng)度，而且在更高的切削速度下承受溫度和磨損更好，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng) 且表面光潔度更佳。對(duì)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(xiàn)也更好。
更好的紅硬性來(lái)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(yǔ)，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(jié)碳 化物，它以鎳或鎳鉬作為粘接劑，而不像制造傳統(tǒng)硬質(zhì)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(zhì)牌號(hào)的紅硬性不能用于加工硬度 超過(guò)40HRC的工件材料。
與涂層和不涂層硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷對(duì)破損和進(jìn)給引起的應(yīng)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(jìn)給率、小切深加 工中表現(xiàn)最佳。理想的加工操作是那些切削時(shí)沒(méi)有嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)的情況。車削碳鋼時(shí)，進(jìn)給量的上限通常是0.63mm/r，并且也能在高主軸轉(zhuǎn)速和合適的進(jìn)給量下 進(jìn)行普通銑削加工。
如果保持在這些加工條件限制內(nèi)，在大批量生產(chǎn)情況下，金屬陶瓷能長(zhǎng)時(shí)間保持鋒利的切削刃。雖然金屬陶瓷能在傳統(tǒng)切削速度和進(jìn)給率下提高刀具壽命 和表面光潔度（與硬質(zhì)合金相比）而值得使用，但它也能通過(guò)提高切削速度（加工合金鋼時(shí)可提高20%，加工碳鋼、不銹鋼和球墨鑄鐵時(shí)可提高50%）而提高生 產(chǎn)率。
陶瓷是刀具材料的一個(gè)分支。陶瓷切削刀具同它們相對(duì)應(yīng)的金屬陶瓷相似，對(duì)工件材料的化學(xué)穩(wěn)定性好，刀具壽命長(zhǎng)，而且能在高速下切削。純氧化鋁有 極高的熱阻抗，但強(qiáng)度和韌性較低，如果工況不佳的話，較低的強(qiáng)度和韌性的組合會(huì)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(lái)提高 韌性，或者摻入20%～40%的碳化鈦和氮化鈦來(lái)提高其抗沖擊性和熱導(dǎo)性。但是，其韌性仍然比硬質(zhì)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(bǔ)強(qiáng)的碳化硅晶須。雖然這些晶須典型的平均直徑只有1μm，長(zhǎng)度為20μm，但它們具有很高強(qiáng)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(zhì)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(jī)械沖擊的能力更強(qiáng)。與氧化鋁陶瓷相 比，它的主要缺點(diǎn)是加工鋼件時(shí)化學(xué)穩(wěn)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(dá)到很高的金屬切除率，但必須正確地應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，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(shí)，使用是否成功取決于刃口修磨、刀具對(duì)工件的性能、機(jī)床和夾具的穩(wěn)定性、采用正確的操作方法和優(yōu)化的加 工參數(shù)。
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(shí)效果最好(加工軟材料時(shí)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(zhì)合金更脆，且導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性低于陶瓷，但它有比陶瓷刀具更高的沖擊強(qiáng)度和抗破裂性，而且在剛性較 低的機(jī)床上也能切削硬金屬。此外，恰當(dāng)定制的CBN刀具能承受大功率粗加工的切削載荷、斷續(xù)切削的擊打和精加工所需的耐高溫和耐磨損性能。
對(duì)于指定工序恰當(dāng)?shù)亩ㄖ瓢C(jī)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(zhì)等級(jí)。CBN含量高的材 質(zhì)等級(jí)對(duì)這些指定工序是必須的，因?yàn)樗鼈兙哂腥锌谥剌d條件下高速加工要求的高導(dǎo)熱性和韌性以及用于嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)切削。這些性能使得這種材質(zhì)等級(jí)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(zhì)牌號(hào)比CBN含量高的牌號(hào)更脆，但它們用于加工淬硬黑色金屬時(shí)性能更好。它們具有更低的導(dǎo)熱性和相對(duì)更高的承受高速切削和負(fù) 前角所產(chǎn)生熱量的抗壓強(qiáng)度。更高的切削區(qū)溫度可以軟化工件材料和幫助斷屑，而負(fù)前角可強(qiáng)化刀具、穩(wěn)定切削刃、提高刀具壽命，并允許小于0.25mm的切 深。
因?yàn)?/SPAN>CBN刀具能獲得優(yōu)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(qiáng)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(yīng)用范圍有驚人的重疊，故而有必要用成本－效益分析來(lái)決定誰(shuí)能獲得最優(yōu) 結(jié)果。
PCD加工有色金屬時(shí)表現(xiàn)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(lái)自晶體各向異性和金剛石 顆粒之間的牢固結(jié)合能夠阻止裂紋擴(kuò)展。把PCD刀頭焊到硬質(zhì)合金刀片上，可以增加強(qiáng)度和抗沖擊性，并能延長(zhǎng)刀具壽命高達(dá)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(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)使這種刀具材料不適合加工有色金屬。另一個(gè)受限特性是它無(wú)法承受超過(guò)600℃的切削區(qū)高溫，因此PCD不適合切削加工抗拉強(qiáng)度高的工件材料。
盡管如此，PCD在加工有色金屬時(shí)表現(xiàn)很好，在加工耐磨高硅鋁合金時(shí)尤為突出。鋒利的切削刃和大正前角對(duì)于高效剪切這種材料和減小切削力、抑制 積屑瘤非常關(guān)鍵。在加工磨蝕性大的有色金屬材料時(shí)，PCD表現(xiàn)出很好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性，它能保持剪切工件所必須的鋒利切削刃。
強(qiáng)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(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，由金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD做成的刀具仍然比硬質(zhì)合金更脆并且不能承受同樣大的應(yīng)力。因此，由它們做成的刀具需設(shè)計(jì)成能增強(qiáng)支撐和釋放應(yīng)力。
設(shè)計(jì)這種刀具的一個(gè)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(dāng)?shù)模贺?fù)倒棱、珩磨、珩磨的負(fù) 倒棱。負(fù)倒棱象切削刃的一個(gè)倒角狀的平面，它取代薄弱鋒利的刀尖。這里刀具設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)使保證切削刃足夠的強(qiáng)度和壽命的最小帶寬和角度，因?yàn)閷挾?/SPAN> 和角度增大后刀片得到強(qiáng)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(fù)倒棱相同的抗微崩刃保護(hù)作用，但珩磨對(duì)由先進(jìn)材料制作的小切深小進(jìn)給以保持最小切削力的精加工刀 片很有效。珩磨也能強(qiáng)化前、后刀面相交處負(fù)倒棱的作用。當(dāng)用陶瓷粗車鋼件發(fā)生微崩時(shí)，珩磨能釋放該處的應(yīng)力、強(qiáng)化刀片而不要加寬負(fù)倒棱。
除了指定針對(duì)某個(gè)加工的最佳刃口修磨，刀具設(shè)計(jì)人員也必須優(yōu)化切削角度并能排屑。通過(guò)加大后角降低切削力讓刀具上的應(yīng)力減少并降低切削區(qū)的溫 度。正前角的數(shù)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(shí)。
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(zhuǎn)速下的高進(jìn)給率降低而不是增加對(duì)工件的沖擊多達(dá)75%～90%，這取決于刀具和加工參 數(shù)。更進(jìn)一步，干加工改善切削過(guò)程的熱穩(wěn)定性;銑刀比五年前至少有更準(zhǔn)確的大小;而且現(xiàn)代銑削和車削機(jī)床變得剛性越好足以消除過(guò)度的振動(dòng)。所有這些發(fā)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(lái)講，加工鑄鐵時(shí)熱量增加切削區(qū)材料的塑性并降低它的屈服強(qiáng)度。其結(jié)果是金屬切除 率比傳統(tǒng)粗加工增加3倍。因?yàn)檫M(jìn)給率高，刀具剪切切屑快以致大部分熱留在切屑里而沒(méi)有時(shí)間流向工件并引起扭曲。盡管切削溫度很高，但工件的熱穩(wěn)定性更好而 且要比在傳統(tǒng)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(jī)床以及在高線速度下以每轉(zhuǎn)更小的進(jìn)給量使用安裝小刀片低密度材料的刀盤的靜態(tài)變形達(dá)到最小。因?yàn)橹喂ぜ?/SPAN> 需很小的夾緊力，所以能夠簡(jiǎn)化夾具，不需要一個(gè)有加強(qiáng)筋、工件支撐和夾緊元件的復(fù)雜夾具系統(tǒng)。結(jié)果是機(jī)床對(duì)箱體零件的各個(gè)面進(jìn)刀更多。
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