干式切削及不同涂层材料刀具的选用

1、干式切削及不同涂层材料刀具 的选用干式切削及不同涂层材料刀具的选用newmaker干切削是切削加工的发展方向 就在二十年前，切削液曾是非常便宜，在大多 数加工过程的成本中，其所占比例不到 3%。以 至没有谁会对此多加注意。可是，现在不一样 了，切削液在车间生产成本中所占比例上升为 15%，这就不得不引起生产经营者的极大关注。特别是那些含油的切削液已经成为一项很大的 支出。更重要的是它的排放污染环境，国外环 保部门要监控这些混合制剂的处理。而且，许 多国家和地区也把它们划归为危险废物，如果 其中含有油和某些合金，还要采取更为严厉的 控制措施。再有，许多高速加工工序加了切削 液会产生烟雾，环保部门

2、也限制切削液烟雾释 放量要在允许范围内，职业安全和职工健康管 理部门为了降低切削液烟雾排放允许值，正在 考虑一项咨询委员会的建议。其中包括制定比 较高的切削液的价格政策。因此，越来越多的 厂家开始采用干切，以避免这笔费用和与切削 液处理相关连的麻烦。以前，金属加工行业使用切削液已形成习惯， 所以推广干式切削的主要障碍是这种习惯势 力，他们认为切削液是取得良好加工表面、提 高刀具寿命所必须的。也有许多人认为变湿切 为干切，费用可能会更高。其实两种看法都不 对。对于多数金切件，干切应该是标准加工环 境”。在高速下干车、干铣淬硬材料不仅可能， 而且更经济。关键是要知道如何正确地选择刀 具、机床和切削

3、方法。尽管切削液在有些场合 还是需要的，可是研究表明：由于今天的刀具 材料有了很大发展，情况也在不断的变化。新 的硬质合金牌号特别是那些涂层牌号，在高速、 高温的情况下不用切削液，切削效率更高。事 实上，对于间断切削，切削区温度越高，越不 适合用切削液。先来看看铣削，假定切削液能克服高速旋转的 铣刀引起的离心力，那它在到达切削区之前也 就已经蒸发了，它的冷却效果是很小的甚至没 有。而应用切削液刀具会产生温度的激烈变化， 铣刀刀片自工件切出时冷却，再切入时温度又 上升。尽管在干切削时也有类似的加热和冷却 循环产生，但是加了切削液这种温度变化要大 得多。温度急剧变化在刀片中产生应力，会导 致裂纹的

4、产生。类似的情况在车削中也会出现，例如用非涂层 硬质合金，在速度高于130m/min时，车削中 碳钢，刀尖切入工件不到40秒，然后暴露在冷 却液中，就能很明显地表现出热冲击的损害。 这种热冲击加快了月牙洼磨损和后面磨损，从 而大大地缩短刀具寿命。对于大多数车削加工， 干切通常能延长刀具寿命。然而，对于钻削则是另一种情况。钻削时切削 液是必要的，因为它提供了润滑和从孔中冲出 切屑。没有切削液，切屑可能粘在孔内，并且 表面粗糙度平均值（Ra）可能达到湿钻时的两倍。 在这种情况下，切屑液也能减少所需的机床扭 矩，因为钻头边缘上与孔壁接触的点得到润滑。 尽管涂层钻头也能够起到类似切削液的润滑效 果，涂

5、层还能减少切削力并能使磨擦阻力趋向 最小。从总的效果来看，目前还不能完全代替 切削液。用哪种型号的切削液要根据具体情况， 润滑性切削液用于低速加工难加工材料以及表 面粗糙度要求较高时比较好。而冷却能力较高 的切削液，可以增强易切削材料高速加工性能， 可以用于有产生积屑瘤倾向或有严格的尺寸公 差的情况下。可是许多时候用了切削液取得了某些效果，但 它需要很高的额外费用，也带来非常有害的环 境污染，这是不值得的。应该看到，现代的切 削刀具能承受更高的切削热，具备高速切削所 需的性能。必要时可以用压缩空气从切削区吹 走热的切屑，以取代切削液。在干式切削中刀具材料的选用 1）高速干式切削最好的涂层是氮铝

6、钛 现今，切削液通常不再必要的重要原因是有了 涂层。它们通过抑制从切削区到刀片（刀具）的热 传导来减缓温度的冲击。涂层的作用就象一层 热屏障，因为它有比刀具基体和工件材料低得 多的热传导系数。因此，这些刀具吸收的热量 较少，能承受较高的切削温度。无论是车削还 是铣削，涂层刀具都允许采用更高效的切削参 数，而不会降低刀具寿命。涂层厚度在2到18叩之间，它在刀具性能方 面起着重要的作用。较薄的涂层比厚的涂层在 冲击切削时，经受温度变化的性能要好，这是 因为较薄的涂层应力较小，不易产生裂纹。在 快速冷却和加热时，厚的涂层就象玻璃杯极快 地加热冷却一样，容易碎掉。用薄涂层刀片进 行干式切削可以延长刀具

7、寿命高达 40%，这就 是物理涂层常用来涂圆形刀具和铣刀片的原 因。PVD涂层往往涂得比化学涂层要薄，与轮 廓结合得较牢固。另外，PVD涂层可以在低得 多的温度下沉积在硬质合金上，因此，它们更 多地应用于非常锋利的刃口及大的正前角铣 刀、车刀。虽然涂层材料氮化钛，在所有涂层刀具中占有 80%。然而在高速干式切削的情况下，最好的 PVD 涂层是氮铝钛 (TiAlN) ，它的性能在高温连 续切削时，优于氮化钛四倍，例如用于高速车 削。TiAIN涂层对于处在较高的热应力条件下的 刀具，也胜过其它涂层。象干式铣削及那些小 直径孔的深孔钻削切削液难以到达的部位。TiAIN 在切削温度下比 TiN 更硬，

8、且具有热稳定 性，PVD涂层利用了它的抗化学磨损性能，它 的硬度高达维氏 3500 度，它的工作温度高达 1470 F(800 C)。材料科学家推测：这些性质可 归功于非结晶的氧化铝薄膜，它是当高温时涂 层表面中的一些铝氧化后，在切屑 /刀具界面上 形成的。这项研究特意选用超薄多层 PVD 涂层，这种沉 积过程产生的涂层由上百层组成，每一层仅有 几个纳米厚。而一般的 PVD 涂层的沉积物只有 几层微米级厚度的涂层。尽管PVD涂层有很多优点，但是对于加工大多 数黑色金属，CVD涂层仍然是更受欢迎。在CVD 加工过程中，沉积温度比较高有助于提高结合 强度，并且允许基体中有较高的钻含量，这样 刀刃的

9、韧性好，提高抗塑性变形的能力。由于 CVD涂层比PVD涂层厚，就要求在它们的刃口 处进行钝化，以防止涂层剥落，同时也能有助 于提高刀具的抗磨损性能。允许采用进给量可 达 0.035 英寸/转(0.9mm/r)。CVD是在刀具上沉积一层有用的氧化铝的过 程，这是人们熟知的最耐热和抗氧化的涂层。 氧化铝是不良导体，它把刀具与切削变形而生 成的热量隔开，促使热量流到切屑中。这是一 种极好的CVD涂层材料，主要用于在干切时使 用的硬质合金车刀。它在高速切削时还能保护 基体，是最好的抗磨料磨损和月牙洼磨损的涂涂层刀片有较长的刀具寿命，它在干式铣削比 湿式铣削更稳定。更高切削速度会使切削温度 进一步升高。

10、例如，在14000转/分和1575英 寸/分(40m/min)的切削速度下干式切削加工铸 铁，能把刀具前面的切削区加热到 600。 700 C。其金属切除率就类似于铣削铝，这时在 铸铁上产生的温度就高于常规刀具。2) 金属陶瓷、陶瓷、 CBN 、PCD 的选用切削速度越高就要求刀具材料更耐磨，还要求 具有较高的热硬性。金属陶瓷、立方氮化硼以 及两种适合精细加工需要的陶瓷 -氧化铝和氮 化硅(现代术语 陶瓷包含氧化铝和氮化硅，而 不象过去单指氧化铝 )，它们的应用日渐普及。 聚晶金刚石是另一种干式切削情况下使用的刀 具材料。在所有这些材料中，它们都有较高的 红硬性和耐磨性，需要权衡考虑的是脆性较

11、大。a. 金属陶瓷是一种先进的硬质合金。金属陶瓷比常规硬质 合金能承受更高的切削温度，但是缺乏硬质合 金的耐冲击性、在中型到重型加工时的韧性、 以及在低速大进给时的强度。金属陶瓷在小的 和不变的负荷时，也象常规硬质合金那样，有 差不多的刀刃强度。但是它在高切削速度下的 耐高温和耐磨性能更好，持续时间更长，加工 的工件表面更光洁。当用于加工软的和粘性的 材料时，它也有较好的抗积屑瘤性能，表面质 量很好。较好的高温硬度来自配料时加入的钛的化合 物。金属陶瓷是硬质合金的一种型式，它含有 坚硬的钛基化合物 (碳化钛、碳氮化钛和氮化 钛)，粘结剂是镍或镍钼。由于金属型粘结剂的 温度局限性，典型的金属陶瓷

12、牌号，在加工的 材料硬度超过 HRC40 时，不具备足够高的热硬 性。金属陶瓷比起涂层和非涂层硬质合金，对断裂 和进给引起的压力更加敏感。因此，它最好用 于高精度工件和表面质量要求较高时。理想的 加工工序是切削那些连续的表面。 车削碳钢时，进给量的上限通常是 0.025 英寸 / 转 (0.635mm/r) 。一般用途的铣削，可以在高的 主轴速度、中等进给量的条件下进行。如果满 足这些条件，在大量生产时金属陶瓷能长时间 地保持锋利的切削刃。如果金属陶瓷是在传统 的切削速度和进给量下使用，比起硬质合金刀 具能改善了刀具寿命和表面质量，也能提高生 产率，对于切削合金钢时其提高幅度为 20% ， 对

13、于切削碳钢、不锈钢和软铁时为 50% 。b. 陶瓷陶瓷刀具类似于金属陶瓷，它比硬质合金有更 高的化学稳定性，可在高的切削速度下进行加 工并持续较长的时间。纯氧化铝可以耐非常高 的温度，但是它的强度和韧性很低，工作条件 如果不好，容易破碎。为了减低陶瓷对破碎的敏感性，在企图改善其 韧性、提高耐冲击性能时，加入了氧化锆或加 入碳化钛与氮化钛的混合物。尽管加入了这些 添加剂，但是陶瓷的韧性比硬质合金还是低得 多。另一个提高氧化铝陶瓷韧性的方法是在材料中加入结晶纹理或碳化硅晶须，通过这些特殊的 平均起来仅有 1 纳米直径， 20 微米长很结实的 晶须，相当程度地增加了陶瓷的韧性、强度和 抗热冲击性能。

14、在组成上，晶须可高达 30% 。象氧化铝一样，氮化硅比硬质合金有更高的热 硬性。它耐高温与机械冲击的性能也比较好。 与氧化铝陶瓷相比它的缺点是在加工钢时它的 化学稳定性不很好。可是，用氮化硅陶瓷可在 1450英尺/分(442m/min)或更高的速度下加工 灰铸铁。虽然使用陶瓷刀加工效率可以很高，但是应用 必须正确。例如，陶瓷刀具不能用于加工铝， 而对灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬 钢、耐热合金则特别适合。可是对这些材料而 言，应用得成功还有赖于开始切削之前刀具刃 口外观的准备、机器和装备的稳定性和选用最 佳的加工参数。c. CBNCBN 是一种非常硬的刀具材料，通常最好用来 加工硬度高于

15、 RC48 的材料，它有极好的高温 硬度-高达2000 C,尽管比硬质合金要脆得多， 比陶瓷耐热性和化学的稳定性要差，但是它比 陶瓷刀具有较高的冲击强度和抗破碎性能。对 于切削淬硬金属时，机床刚性可以稍差。此外， 一些特制的 CBN 刀具能抵御高功率粗加工的切 屑负荷，间断切削的冲击以及精加工时的磨损 和切削热。对于要求严格的零件，应对设备进行适当的调 整，以提高机器和装备的刚性。刃口倒钝应足 够大以防止微观剥落和使刀具基体上有一定厚 度的 CBN 层，这就能使刀具在高速、重负荷、 剧烈的间断负荷下工作。 这些特点使 CBN 成为 粗加工淬硬钢和珠光体灰铸铁所选用的刀具材 料。刀具带有一薄层

16、CBN 是比较脆弱的， 但是它用 于加工淬硬的铁合金又是比较好的刀具材料。CBN 具有低的导热系数和高的压缩强度，经受 得了由于高切削速度和负前角产生的切削热。在切削区内由于较高的温度使工件材料软化， 有助于切屑的形成。负的几何角度加强了刀具， 稳定了切削刃，改善了刀具寿命和允许在小于 0.010 英寸 (0.254mm) 的浅切深下进行加工。在干式车削淬硬工件的情况下， 由于 CBN 刀具 可以加工出小于16微英寸(0.4 m)的表面质量， 并能控制).0005英寸(0.0127mm)的精度，因 此常用它取代磨削工序。 CBN 刀具很适合淬硬 车削和高速铣削加工。而对于这个应用范围， 陶瓷和

17、 CBN 是重叠的。因此，进行成本效益分 析是非常必要的，以确定哪一种材料将提供最 好的效果。d. PCD 刀具聚晶金刚石作为最硬的刀具材料，它是最耐磨 的。它的硬度和耐磨性来自各金刚石晶体间无 一定方位的粘结，这种晶体方位各异的排列抑 制了裂纹的扩展。使用时，将 PCD 小片粘结到 硬质合金刀片上，这可增加它的强度和抗冲击 性能，其刀具寿命是硬质合金的 100 倍。然而，某些性能限制了它在很多加工工序的使 用。其一是 PCD 对黑色金属中铁的亲和力，引 起化学反应，这种刀具材料只能用于加工非铁 零件。其二是PCD不能经受切削区超过600 C 的高温。因此，它不能切韧性、高延展性材料。PCD

18、刀具特别适于加工有色金属，特别是对摩 擦很厉害的高硅铝合金。采用锋利的切削刃和 大正前角高效切削这些材料，使切削压力和积 屑瘤达到最小。刃口强化、刀具几何参数与排屑尽管近几年物理的进步与应用开发，用金属陶 瓷、陶瓷、 CBN 和 PCD 制造的刀具仍然是比 硬质合金要脆得多，不能经受太多的压力，因 此用这些材料制造的刀具必须结合其特点进行 设计，即对它加强支撑、分散压力。这一点很重要。例如，为了要改变磨削力的方 向，使力从切削刃往里向着刀体，切削刃必须经过加工 刃口准备。有这样三种刃口准备 而且其大小还要适当： T 型刃带、强化、 T 型刃 带强化。a. T 型刃带就是一个倒棱 -在刃口上磨出

19、的窄的平面， 以取 代较脆弱而锋利的刀刃。刀具设计者的一个重 要任务就是要找出最小的平面宽度和能赋予刀 刃适当强度和寿命的角度；因为大的宽度和加 强刀片的角度无疑会增切削力。b. 强化就是圆整一下锋利的刃口。虽然强化不象 T 型 刃带那们有棱有角，但是强化对用于精加工的 先进的刀片材料效果很好。这些强化刀具应该 用于浅切深、低速进给、并保持切削压力最小。c. T 型刃带强化当强化用于倒棱的前面与后面相交处时，也能加强T型刃带。在应用中，微小的剥落发生时（就 象用陶瓷刀粗车钢），强化能分散这些点上的压 力，没有使倒棱变大而加强了刀具刃口。刀具设计者除了针对工件确定最适合的刀具刃 口外，还必须优化

20、刀具的几何角度和排除切屑 能力。通过增加后角来减小切削力和对刀具的 压力，也降低了切削区的温度。要使正前角尽 可能地大，这样由于较好的剪切作用能减少切 削力。宽阔的容屑槽有助于切屑的排除，尤其 是对钻削和螺纹加工。另一个使切削力降低的方法是在高速下切削。 为了提高效率，宁可在很高的主轴速度下，把 大的进给量减小，而不用增加进给量的方式。 此外，现在的铣刀比五年前要精确得多， 铣床 和车床的机械稳定性、刚性也更高了，因而排 除了可能的振动。所有这些都有利于脆的、较 硬和耐磨的刀具材料的应用。应用能抗高温刀具的另一个有利因素是切屑形 成有极高的效率。例如切削铸铁，热量使切削 区的材料成为可塑体，这样就降低了切削区工 件材料的强度。其结果是比普通粗加工金属切 除率增加三倍。因为进给速度很高，刀具对金 属材料切除得非常快，以至大量的热量停留在 切屑中，没有时间传到工件和使它变形。尽管 切削温度很高，工件温升却很小，比起在常规 用量下切削所得到的工件精度也要高。用低轴向力精加工也能使工件、夹具、机床静 变形最小化。这样的工序要求利用粗齿铣刀， 低进给和铳刀高转速。由于夹持工件所需夹紧 力小，工装夹具可以简单。对于棱形工件有较 宽敞的铳刀通道。干式切削需要考虑的事项采用干式