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干切削的若干问题(2)
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涂层处理热量


涂层是当今使切削液通常不需要的另一个原因。它们通过抑制从切削区到刀片刀具的热传递来控制温度波动。涂层的作用象热障,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并能承受更高的切削温度,这意味着更在车削和铣削不牺牲刀具寿命的前提下更高速的切削。
厚度范围在2到18µm的涂层在刀具性能里扮演一个重要的角色。因为薄涂层比厚涂层在快速冷却和加热过程中引起更低的应力并且不易破裂,对于断续切削这个厚度带宽较薄的一端承受温度波动更佳。厚涂层经受相同的应力,当你加热或冷却太快时容易破裂。因此,用薄涂层刀片干加工通常延伸刀具寿命达40%。
这是为什么圆刀片和铣刀片代表性地用物理气相沉积(PVD)的一个重要原因。和相对应的化学气相沉积(CVD)相比PVD涂层更薄,粘着力更佳。除了更薄,它们的沉积温度要低很多。所以在车削和铣削刀具发现更多使用锋利切削刃和大的正前角。
虽然氮化钛(TiN)占所有涂层刀具的80%,氮铝化钛(TiAlN)作为针对高速精加工的最佳PVD涂层出现了。象高速车削那样的连续高温切削时它超过TiN性能的3倍。在象干铣和小直径深孔钻削由于切削液很难渗透等高热应力工况下它也胜出很多。
在切削温度下TiAlN比TiN更硬,它是目前最热稳定和抗化学磨损的PVD涂层。其硬度高达3500HV,而且它的工作温度高达华氏1470°。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的氧化铝膜。
应用更薄的多层PVD涂层使其更适合于干加工的研究正在进行。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涂层有强烈的兴趣,与之相对应的CVD对于大多数黑色金属工件材料来说一直是受欢迎的。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珩磨来防止象墙角厚层涂料的剥落那样的开裂。这个设计也抗磨好且能在进给量超过0.076mm/r到0.89mm/r下工作。
CVD也是唯一有用的已知的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到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产生的温度太高。
因此,更高的切削速度将要求有更高红硬性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(氧化铝和氮化硅)很适合这种要求。(今天,术语‘陶瓷’包括氧化铝和氮化硅两种,而不是过去仅指的氧化铝。)虽然不是针对黑色金属材料,聚晶金刚石(PCD)也是一种适合干加工刀具材料。然而,在所有材料里权衡更大的红硬性和抗磨料磨损性能的后果是易碎性。
金属陶瓷,一种先进的硬质合金。举例讲,金属陶瓷同传统硬质合金相比能在更高的温度下工作,但不如硬质合金耐冲击、中等到重载下的韧性和低进给和高进给时的强度。然而,金属陶瓷在同传统硬质合金一样的轻载下具有大致相等的刃口强度并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。对于延展性好的和粘的材料,在抗积屑瘤形成和生成表面良好光洁度方面金属陶瓷也表现更好。
更好的红硬性来自组成刀具材料的钛化物。金属陶瓷,一个陶瓷和金属的首字母缩略字,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,它是以镍或镍钼做粘接剂而不象制造传统硬质合金那样用钴做粘接剂。由于金属粘接剂的温度限制,典型的金属陶瓷材质等级的红硬性不能用于加工硬度超过40HRC的材料。
金属陶瓷也对破坏和进给引起的应力要比涂层和不涂层硬质合金敏感得多。因此,它在需要高精度和良好光洁度并工作在高切削速度、低进给、小切深的加工时表现最佳。理想的加工操作是那些切削时没有严重断续的情况。对于车削碳钢进给的上限通常是0.63mm/r,并且主轴高速且合适进给下的普通铣削也能处理。
如果保持在这些操作限制内,大量生产情况下金属陶瓷能在很长时间里保持锋利的切削刃。虽然金属陶瓷能在传统速度和进给下仅通过提高硬质合金的刀具寿命和光洁度而值得使用,但它能通过在加工合金钢提高20%速度和加工碳钢、不锈钢和球墨铸铁提高50%速度而提高生产率。
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低,如果工况不佳的话较低的强度和韧性的组合会似得它容易破坏。为了使它对破裂敏感性降低,刀具制造商要么添加少量氧化锆来提高韧性,要么混入20%到40%的碳化钛和氮化钛来提高抗冲击性和热导性。但是,韧性仍然要比硬质合金低很多。
另外一种提高氧化铝韧性的方法是植入碳化硅加强物的晶隙或晶须。虽然这些晶须典型的平均直径只有1µm, 长度是20µm,但它们很牢固并明显地增加韧性和抗热冲击性。晶须最多能占到总量的30%。
和氧化铝相象,氮化硅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,并且它能承受的热冲击和机械冲击更好。同氧化铝相比它的主要缺点是加工钢件时化学稳定性没有氧化铝好。尽管如此,氮化硅能以线速度435m/min干式加工灰铸铁,氮化硅通常被用于加工这样的工件。
虽然使用陶瓷刀具金属切除率能很高,但应用必须是正确的。举例讲,陶瓷刀具加工铝并不好,但加工灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢以及耐热合金等效果很好。但是即使是在这些材料里,用得是否成功取决于刃口修磨、刀具对工件的表现、机床和夹具的稳定性、使用正确的操作和优化的加工参数。
CBN,硬度排在金刚石之后。CBN是一种仅次于金刚石的极硬的刀具材料,通常材料硬度大于48HRC时工作最好(加工软材料时CBN磨损很快)。温度高到2000℃是还有极佳的红硬性。虽然和硬质合金相比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对于刚性较低的机床也能切削硬金属。更进一步,恰当的定制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细加工所需的热和磨损性能。
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含量低的材质等级和CBN含量高的相比更脆,但它们用于淬硬黑色金属加工更好。它们的更低的热导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。切削区更高的温度软化工件材料和帮助断屑,而负前角强化刀具,使切削刃稳定,提高刀具寿命,并允许比0.25mm小的切深。
因为CBN刀具能获得优于0.4µm的表面光洁度并保持同轴度±0.012mm,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是一种硬车和高速铣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,故而很必要用成本-效益分析来决定谁能得到最优结果。
PCD加工有色金属表现突出。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牢固结合阻止破裂扩展。把PCD刀头焊到硬质合金刀片上增加强度和抗冲击性并能延长刀具寿命高达100倍。
然而,其它特性阻止它使用在多数加工操作上。其一是PCD和黑色金属里的铁有亲合性,由此而来的化学反应使得这种刀具材料限制在有色金属应用上。另外一个受限制的特性是它无法承受超过600摄氏度的切削区温度。结果是PCD不能切韧的抗拉强度高的工件材料。
尽管这样,PCD加工有色金属时表现很好,最突出的是在加工耐磨高硅铝合金时。锋利的切削刃和大正前角对高效地剪切这种材料和切削力最小化以及抑制积屑瘤来说是关键的。在加工耐磨有色金属材料所表现出化学稳定性高和耐磨性好,它能保持利于剪切所必须的锋利切削刃。

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