干切削的刀具技术

　　干切削技术是一项庞大的系统工程，需要从刀具技术、机床结构和工艺过程等各方面采取一系列的措施。本文将重点介绍干切削的刀具技术。设计干式切削刀具时，不仅要选择适用的刀具材料和采用的涂层，而且应当综合考虑刀具材料、刀具涂层和刀具几何形状之间的相互兼顾和优化。不同的切削加工方式对刀具设计提出了不同要求，干式切削刀具必须满足以下条件：　　

　　(1)刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性；

　　(2)切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小；

　　(3)刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热;4)刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。下面分别从刀具材料、涂层和几何形状三个方面讨论。

　　1.采用新型的刀具材料

　　2.采用涂层技术

　　3.刀具几何形状设计

　　近十几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是:超细硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料。图1列出了几种刀具材料的硬度与温度的关系。超细硬质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式加工。陶瓷刀具(Al203,Si3N4、金属陶瓷(Cennet)等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削而无须冷却液[1131。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于进行断续切削。也就是说，陶瓷刀具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，达HV3200～HV4000，仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好。采用CBN刀具加工铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。聚晶金刚石(PCD)刀具硬度非常高，可达HV7000～HV8000，热导率可达2100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。

　　近十年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料多达15种，有的刀具在刀体上的涂层多达13层。涂层工艺也越来越成熟，随着技术的发展，现已解决了涂层与基体材料结合强度低的技术难题。涂层刀具分两大类:一类是“硬”涂层刀具，如TiN,TIC和Al203等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。另一类是“软”涂层刀具，如:MOS2,W S等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能有效减少切削力和降低切削温度。例如瑞士开发的“MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MOS2。切削实验表明:未涂层丝锥只能加工20个螺孔;用TiAlN涂层丝锥时可加工1000个螺孔，而MoS2涂层的丝锥可加工4000个螺孔。高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后，可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的CBN刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合金。

　　实际上，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。TiAlN涂层和Mo2软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。近几年来，国外开发了许多大前角车削刀片(如美国Carboloy公司推出的一种ME-13新型硬质合金刀片上的前角达34°)和带正前角的螺旋形刀刃铣削刀片(这种刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角，背前角或侧前角可由负变正或由小变大)，旨在减少机床的驱动功率，并通过减小切削力，降低切削温度来满足干切削时对刀具的要求。日本三菱金属公司开发出一种适用于干切削的“回转型车刀”，该刀具采用圆形超硬刀片，刀片的支持部分装有轴承，在加工中刀片能自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有工效高、加工质量好、刀具寿命长等特点。　　

　　还有一种热管式刀具也可以获得较理想的干切削效果。它们的结构与普通车刀基本相同，所不同的是在刀杆体内部制成了热管。热管内的工作介质一般为丙酮、乙醇和蒸溜水三种。热管是一种高效的传热元件，它利用的是沸腾吸热和冷凝放热这两个最强的传热机理，热管的热导率是相当的银、铜棒的几百倍。热管刀具是一种自冷却刀具，故无需再从外部浇注切削液，尤其适合于在数控机床、加工中心和自动生产线上应用。

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