干切削加工刀具及其設計www.tool-tool.com

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概述隨著人們對環境保護意識的增強和研究的不斷深入，切削液使用所帶來的負面效應也越來越明顯，侵蝕地面、污染水源和空氣。此外，切削液種類繁多，添加劑各式各樣，使其處理難度越來越大，處理費用隨著不斷增加。同時切削液供應裝置也使得工藝系統變得複雜。為了消除切削液帶來的負面效應，除開發新型切削液外，最有效的方法就是取消切削液，即進行干切削加工。干切削加工是理想的綠色製造工藝方法。但干切削並不是簡單地取消切削液就能實現，有意義且經濟可行的干切削加工要求仔細分析特定的邊界條件和掌握干切削加工的複雜因素，並為干切削工藝系統的設計提供所需的信息數據。干切削的應用越來越廣泛。目前在西歐已有近一半企業採用了干式切削加工，德國企業尤為普遍。日本的「生產設備市場」雜誌選出的１９９７年日本工廠自動化行業的國內１０大新聞中就包括「保護環境的加工技術具體化」。由此可見，干切削加工技術將成為未來加工技術的主要發展方向之一。干切削加工由於不採用切削液，刀具工作條件更為惡劣，壽命也會縮短。因此，除選擇合理的刀具材料及進行適宜的塗層外，刀具幾何參數的選擇與設計對干切削具有至關重要的作用。　　二、干切削加工對刀具的要求干切削加工由於不用切削液，對刀具也就提出了更高的要求，主要表現在：１．刀具應具有優異的耐高溫性能目前的刀具材料，如高性能硬質合金、聚晶陶瓷和ＣＢＮ等有足夠的耐高溫磨損性能，能夠在干切削條件下使用。國外的某些刀具生產廠家已開始提供用於干切削的刀具。此外，最有效的方法就是對刀具進行塗層。塗層可阻止將熱量傳遞到刀具基體，能保證刀具切削刃鋒利，使刀頭硬度不會很快下降，可大大提高其耐高溫性能。２．切屑和刀具之間的摩擦係數要盡可能小，以減小切削力和粘結磨損干切削加工時，切削區產生的高溫是刀具使用中產生化學不穩定性的主要因素。切削區產生的高溫會使刀具與切屑之間的摩擦增大，極易產生積屑瘤，加劇刀具磨損，因此，減小切屑和刀具之間的摩擦係數就顯得非常重要。最有效的方法就是進行刀具表面塗層，並輔以排屑良好的刀具結構。如大螺旋角ＴｉＡｌＮ塗層絲錐就是具有這種性能的干切削刀具。３．結構排屑要方便快捷，減小熱量堆積干切削加工中，為了保證工件加工質量和刀具具有一定的壽命，因而傳入其中的熱量就應盡可能地少，這樣在產生相同熱量的情況下，切屑必須帶走更多的熱量，這就要求刀具必須能夠快速排出切屑，即盡可能以最高的金屬切除率進行加工，這樣可使刀具和工件之間的接觸時間最短，傳入工件和刀具的熱量就會大大減少，當然機床的佈局也要適應高溫切屑並盡可能使其快速離開工作區。４．刀具材料應有更高的強度和耐衝擊韌性要滿足上述這些要求，一方面是選擇適宜的刀具材料，常用於干切削的刀具材料有超細晶粒硬質合金、陶瓷和金屬陶瓷刀具材料、金剛石和ＣＢＮ等，也可在高速鋼、硬質合金基體上進行適宜的塗層，如ＴｉＡｌＮ塗層、ＴｉＣＮ塗層、ＴｉＡｌＮ＋ＭｏＳ２塗層、類金剛石ＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）塗層等。ＣＢＮ可用於干切鑄鐵、過共晶鋁合金、各種鋼和鈦合金等。在干切削加工中，也可以選擇標準幾何形狀的刀具進行加工，但它不能獲得像加注切削液時的刀具性能。歐洲的刀具製造商已開發出了許多有利於干切削加工的刀具幾何形狀，設計製造了能較好控制切屑形成和便於排屑的斷屑槽幾何形狀，尤其是還設計出能控制積屑瘤產生和防止或減小刀具磨損的幾何形狀。　　三、干切削刀具設計要點及應用　　１．干式車（銑）刀具設計要點干切削刀具通常以月牙窪磨損為主要失效原因，這是因為加工中沒有切削液，刀具和切屑接觸區域的溫度升高所致。因此，通常應使刀具有大的前角和刃傾角，但前角增大後，刀刃強度會受影響，此時應配以適宜的負倒稜或前刀面加強單元，這樣使刀尖和刃口會有足夠體積的材料和較合理的方式承受切削熱和切削力，同時減輕了衝擊和月牙窪擴展對刀具的不利影響，使刀尖和刃口可在較長的切削時間裡保持足夠的結構強度。此外，配合大的刀尖前角，再選擇大的刀尖後角，可使刀具刃口楔角增大，減輕刀具與已加工表面之間的接觸長度，有效降低後刀面的磨損和破損概率。在車削或銑削加工中，切屑通常帶走大部分熱量，對於普通銑削或車削刀具，由於切屑和前刀面接觸面積大，會使積聚的熱量增加，產生月牙窪磨損，降低刀具壽命。而採用如圖１所示的幾何形狀刀片，則會大大減少刀具與切屑之間的接觸面積，使切屑帶走大量熱量。圖２所示為干切削加工（車削或銑削）和普通加工的加工過程示意圖。由圖可見，當切屑流過普通刀片前刀面時，由於接觸面積大，傳入刀具的熱量也多，從而產生月牙窪磨損，降低刀具壽命；而採用圖１所示的刀片，刀具前刀面上有加強稜，刀具與切屑的接觸面積也大大減小，絕大部分熱量被切屑帶走，切削溫度可比普通刀片降低約４００℃，同時也增大了剪切角，使刀具壽命顯著提高，可允許採用更高的切削速度，若保持普通的切削速度，則刀具壽命可提高３～４倍。對於陶瓷刀具，由於其脆性較大，因此，選用Ｔ型或雙Ｔ型稜面或研磨，或幾種方法的組合。如美國Ｖａｌｅｎｉｔｅ公司推薦將０．５×３０°的Ｔ型稜面用於Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＣ刀片，干式加工淬硬鋼，並盡量採用大的副偏角。根據不同刀片幾何形狀，半精車時的刀具副偏角為－５°～－３０°，常用的刀片幾何形狀是正方形、三角形和８０°菱形。對ＣＢＮ刀具，倒稜太大，加工淬硬鋼時，在刃口產生高溫，使刃口很快磨損，因此，一般不採用大倒稜，刃口可採用斜面或倒圓及負前角，盡可能大的副偏角，建議取值範圍為：１５°～２５°×０．２５ｍｍ的Ｔ型倒稜，再進行０．０１～０．０３ｍｍ的研磨。　　２．干式螺紋加工刀具設計要點圖１　干銑削刀片的幾何形狀ａ）普通切削　　ｂ）干切削刀片切削圖２　干切削和普通切削的加工過程比較　　德國Ｅｍｕｇｅ螺紋刀具廠為減少環境污染，研製開發了ＫＯ絲維，即生態有效絲錐，它可在較廣範圍的材料上攻絲而無須切削液。為了完成干式攻絲，在絲錐參數設計時必須考慮以下幾方面的問題：１）絲錐幾何參數要使其有低摩擦阻力，以獲得尺寸準確和表面粗糙度值小的螺紋；２）絲錐槽型設計應使切屑易於捲曲，並自由離開螺孔；３）對絲錐表面進行塗層處理，以獲得理想的表面狀態，保護絲錐。這種絲錐的尺寸範圍有２種，即Ｍ５～Ｍ１０的加強柄絲錐尺寸系列和Ｍ１２～Ｍ２０的絲錐尺寸系列。干切削加工鋼件螺紋的絲錐槽型通常為螺旋槽，加工通孔螺紋和盲孔時的螺旋角大小不同。如加工盲孔螺紋時，往往採用３５°的大螺旋角；當孔深大於２倍絲錐直徑時，可採用小螺旋角，通常取為５°，此時絲錐切削錐部長度為２～３牙。而干切削加工鑄鐵螺紋時，無論是通孔還是盲孔，絲錐槽型均為直槽，其切削錐部長度為２～３牙。對於小直徑絲錐，為了提高其強度和剛度，其槽型也可設計成特殊形狀，如無槽擠壓絲錐。無槽擠壓絲錐用於加工小直徑螺紋或塑性較大材料上的螺紋是非常有效的。干切削加工絲錐通常均需進行塗層處理，常用的塗層有ＴｉＮ或ＴｉＣＮ。圖３所示是用無槽擠壓絲錐干式擠壓螺紋與有切削液切削絲錐加工Ｍ５×０．８螺紋孔數量比較。試驗條件：　　工件材料：純鋁ＬＹ—２　機床：ＡＧ—３２螺紋孔形狀：盲孔，螺紋長１１ｍｍ底孔直徑：４．２ｍｍ（切削），４．５ｍｍ（擠壓）切削速度：１５ｍ／ｍｉｎ（切削），１０ｍ／ｍｉｎ（擠壓）圖４則是濕式攻絲與干式攻絲所加工的螺紋孔數比較。由圖可以看出，普通擠壓絲錐加工１００個螺紋孔時，切削部分的螺紋牙型就產生粘結現象，與此相圖３　干式與濕式攻絲加工比較比，干式擠壓絲錐壽命可提高８０倍。由於受試驗試件數量的限制，僅作了有限次試驗，但其結果反映了干式攻絲的可能性。加工條件：Ｍ６×１—ＧＴＰ通孔螺紋，工件材料：鋅鋼板，螺紋長度３．２ｍｍ，底孔直徑：５．５５ｍｍ，切削速度：１５ｍ／ｍｉｎ。　　除此之外，作者對在Ａ３、４５鋼等薄板件（２ｍｍ以下）上加工螺紋的工藝進行了探討，採用了新型底孔成孔工藝，並成功地應用了干式切削及擠壓螺紋工藝，采圖４　濕式切削與干式切削螺紋的螺孔數比較用專門設計和製造的底孔成形刀具和塗層擠壓絲錐可使底孔和螺紋的加工同時完成，避免了原有工藝需要焊接螺母或設計製造專用模具沖孔的麻煩，一舉解決了長期困擾汽車、鈑金等行業的薄板件螺紋加工工藝，並具有優異的加工效果。干切削加工刀具及其設計@劉志峰$合肥工業大學機械系!230009干切削;;刀具設計;; 加工技術;;工藝方法適宜的刀具材料和刀具幾何參數是干切削加工的關鍵條件之一。在分析干切削加工對刀具要求的基礎上，闡述了干切削刀具設計的要點，並結合應用實例說明了刀具設計對干切削加工的重要性。度，則刀具壽命可提高３～４倍。對於陶瓷刀具，由於其脆性較大，因此，選用Ｔ型或雙Ｔ型稜面或研磨，或幾種方法的組合。如美國Ｖａｌｅｎｉｔｅ公司推薦將０．５×３０°的Ｔ型稜面用於Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＣ刀片，干式加工淬硬鋼，並盡量採用大的副偏角。根據不同刀片幾何形狀，半精車時的刀具副偏角為－５°～－３０°，常用的刀片幾何形狀是正方形、三角形和８０°菱形。對ＣＢＮ刀具，倒稜太大，加工淬硬鋼時，在刃口產生高溫，使刃口很快磨損，因此，一般不採用大倒稜，刃口可採用斜面或倒圓及負前角，盡可能大的副偏角，建議取值範圍為：１５°～２５°×０．２５ｍｍ的Ｔ型倒稜，再進行０．０１～０．０３ｍｍ的研磨。　　２．干式螺紋加工刀具設計要點圖１　干銑削刀片的幾何形狀ａ）普通切削　　ｂ）干切削刀片切削圖２　干切削和普通切削的加工過程比較　

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