干切削的若干問題
干運(yùn)轉(zhuǎn)僅僅20年前苏章,切削液是便宜的且占多數(shù)加工過程的比重少于3%。所以很少有機(jī)械加工廠對(duì)它們關(guān)注很多。在那時(shí)以后隨著時(shí)間的推移發(fā)生了戲劇化的變化:如今的切削液費(fèi)用估計(jì)達(dá)每年幾十億美圓且占生產(chǎn)成本高達(dá)15%∏揭椋現(xiàn)在,機(jī)加工行業(yè)無時(shí)不刻都在為他們的切削液擔(dān)憂溃登。
切削液久挖,尤其是那些含油的,已成為巨大的負(fù)擔(dān)犬捧。不管某種切削液有多安全和環(huán)保歹对,政府法令仍將要求你從傾倒到池里的那一刻起進(jìn)行特殊處理。即使你的當(dāng)?shù)卣试S你從桶中傾倒清潔的不含油的合成液到排水溝强重,一旦它同在機(jī)床里夾雜油和金屬碎屑混合物它就變成一種受控的工業(yè)廢料绞呈。不僅美國環(huán)境保護(hù)局管理這種混合物的處理,而且許多州和地方政府也已把它們作為有害廢物進(jìn)行分類并如果它們含油和某些合金強(qiáng)加嚴(yán)格控制竿屹。
因?yàn)楹芏喔咚偌庸ず颓邢饕簢娮飚a(chǎn)生細(xì)油霧或工人能呼吸到的氣溶膠报强,政府機(jī)構(gòu)還限制空氣里切削油霧的允許量。提高機(jī)加工企業(yè)計(jì)劃成本和責(zé)任更多拱燃,環(huán)境保護(hù)局已經(jīng)計(jì)劃更嚴(yán)格的針對(duì)控制這些空氣里的微粒的標(biāo)準(zhǔn)秉溉。職業(yè)安全和健康管理局也正在考慮一個(gè)咨詢委員會(huì)推薦通過一個(gè)最大值到0.5mg/m3和作用水平到0.25mg/m3的法令來限制較低的切削液氣霧的允許暴露量。
維護(hù)碗誉、記錄存檔和遵循現(xiàn)行和計(jì)劃的規(guī)定所產(chǎn)生的成本正迫使切削液的價(jià)格迅速上漲召嘶。大型工廠支付從幾萬到幾十萬的資金來維護(hù)切削液和只要有可能就安裝和使用合適的附件和油霧收集器以及切屑、碎屑和用過的切削液的處理來推遲它們的處理哮缺。其結(jié)果是很多機(jī)加工企業(yè)正在就通過干切削來避免費(fèi)用和伴隨切削液產(chǎn)生的副作用展開討論弄跌。
雖然大多數(shù)工廠可能承認(rèn)有消滅切削液的愿望,但他們不能確定能做得到尝苇。他們相信要獲得更高的速度和切削更硬的材料他們必須使用切削液來維持競爭力是必要的铛只。很多從濕式加工轉(zhuǎn)變到干加工的可見成本也是高的。如今都不成為問題芝杏。實(shí)際上尸校,在很多加工中常規(guī)操作應(yīng)該是干加工。再者债鼎,干車硬材料和高速干銑削不僅是可行的而且是有利可圖的替程。其技巧是正確集成刀具、機(jī)床和切削技術(shù)蚂旁。
切削液有損害而沒有幫助
更多采用干切削最大的障礙之一是切削液對(duì)于取得較好光潔度和更長刀具壽命是必要的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)撕陈。雖然現(xiàn)實(shí)中對(duì)于許多應(yīng)用仍然是必要的,但是研究表明有了現(xiàn)代切削刀具材料和當(dāng)今更高的切削速度就不是這樣的粤搂。先進(jìn)的硬質(zhì)合金材質(zhì)等級(jí)生凯,尤其是有涂層保護(hù)的法竭,在高速高溫下不使用切削液實(shí)際上切得更有效率。實(shí)際上在斷續(xù)切削時(shí)切削區(qū)溫度越高危劫,切削液越變得不合適彭旬。
這種似乎是跟直覺相反的趨勢的原因在于切削區(qū)變得非常熱,通常超過攝氏1000°容诬,尤其是在高速切削和硬材料切削時(shí)娩梨。舉例來說,假定切削液能克服銑刀高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力览徒,切削液在到達(dá)切削區(qū)之前早已汽化并對(duì)那里幾乎沒有冷卻作用狈定。
結(jié)果是有一個(gè)在當(dāng)?shù)镀腥肭谐鰰r(shí)產(chǎn)生先天的溫度波動(dòng)更明顯的區(qū)別。隨著刀具的旋轉(zhuǎn)當(dāng)?shù)镀谐鰰r(shí)冷卻习蓬,然后在切入時(shí)再一次被加熱纽什。雖然在干加工時(shí)也發(fā)生加熱和冷卻循環(huán),但是當(dāng)有切削液時(shí)溫度波動(dòng)更大躲叼。跟著發(fā)生的熱沖擊會(huì)在刀片上產(chǎn)生應(yīng)力并會(huì)過早地破裂芦缰。
相似的結(jié)果也在車削時(shí)發(fā)生。譬如當(dāng)在切削速度高于130m/min時(shí)切削碳鋼枫慷,暴露在冷卻液里不涂層硬質(zhì)合金刀片能承受顯著的熱沖擊少于40秒让蕾。這種沖擊通過輕微增加前刀面磨損和劇烈的后刀面磨損戲劇性地縮短刀具壽命。因?yàn)榇蠖鄶?shù)生產(chǎn)車削少于40秒或听,對(duì)于刀具壽命來說干車通常是更可取的探孝。
另一方面,在鉆削時(shí)為了提供潤滑和把切屑從孔里沖出來切削液通常是必須的誉裆。沒有切削液迈堂,切屑會(huì)堵在孔里,而且平均表面粗糙度Ra是濕式加工的兩倍捶卧。切削液通過潤滑邊緣碰到孔壁的鉆尖也能降低必要的馬達(dá)扭矩耀佣。雖然涂層鉆頭在某種程度上會(huì)加倍切削液的潤滑效果,但是降低切削力的涂層最可能的趨勢是把摩察降到最低疲飘。
因?yàn)檫€沒有用于預(yù)測切削液效果和性能的科學(xué)模型钳雄,是否采用干切削你必定取決于具體的案例。潤滑液通常針對(duì)低速加工辟侠、難加工材料、難加工和表面光潔度有要求葱有,而一個(gè)有高冷卻能力的切削液會(huì)提高高速加工眨柑、易切材料、簡單加工复做、積屑瘤問題和緊尺寸公差加工的表現(xiàn)坪腔。然而很多時(shí)候切削液提供的額外性能并不值得額外的開銷权浸。在越來越多的應(yīng)用中,切削液簡直是不必要的或徹頭徹尾有害的因?yàn)楝F(xiàn)代切削刀具適合更高的溫度而且壓縮空氣能從切削區(qū)域帶走熱切屑吏口。
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)比濕式加工更可靠奄容,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下干加工灰鑄鐵产徊,刀具前面的切削區(qū)能加熱到600到700℃之間昂勒。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)切削刀具來說加工灰鑄鐵產(chǎn)生的溫度太高舟铜。
因此戈盈,更高的切削速度將要求有更高紅硬性更耐磨的切削刀具材料。金屬陶瓷谆刨、立方氮化硼(CBN)和兩種陶瓷(氧化鋁和氮化硅)很適合這種要求塘娶。(今天,術(shù)語‘陶瓷’包括氧化鋁和氮化硅兩種痊夭,而不是過去僅指的氧化鋁刁岸。)雖然不是針對(duì)黑色金屬材料,聚晶金剛石(PCD)也是一種適合干加工刀具材料她我。然而虹曙,在所有材料里權(quán)衡更大的紅硬性和抗磨料磨損性能的后果是易碎性。
金屬陶瓷鸦难,一種先進(jìn)的硬質(zhì)合金垮允。舉例講,金屬陶瓷同傳統(tǒng)硬質(zhì)合金相比能在更高的溫度下工作水仑,但不如硬質(zhì)合金耐沖擊蒿缎、中等到重載下的韌性和低進(jìn)給和高進(jìn)給時(shí)的強(qiáng)度。然而颂芒,金屬陶瓷在同傳統(tǒng)硬質(zhì)合金一樣的輕載下具有大致相等的刃口強(qiáng)度并在更高的切削速度下承受溫度和磨損更好菠告,持續(xù)時(shí)間更長且表面光潔度更佳。對(duì)于延展性好的和粘的材料乱感,在抗積屑瘤形成和生成表面良好光潔度方面金屬陶瓷也表現(xiàn)更好蚜冀。
更好的紅硬性來自組成刀具材料的鈦化物。金屬陶瓷蠢耻,一個(gè)陶瓷和金屬的首字母縮略字逞扰,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)碳化物威视,它是以鎳或鎳鉬做粘接劑而不象制造傳統(tǒng)硬質(zhì)合金那樣用鈷做粘接劑唾浙。由于金屬粘接劑的溫度限制,典型的金屬陶瓷材質(zhì)等級(jí)的紅硬性不能用于加工硬度超過40HRC的材料捂齐。
金屬陶瓷也對(duì)破壞和進(jìn)給引起的應(yīng)力要比涂層和不涂層硬質(zhì)合金敏感得多蛮放。因此缩抡,它在需要高精度和良好光潔度并工作在高切削速度、低進(jìn)給包颁、小切深的加工時(shí)表現(xiàn)最佳瞻想。理想的加工操作是那些切削時(shí)沒有嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)的情況。對(duì)于車削碳鋼進(jìn)給的上限通常是0.63mm/r娩嚼,并且主軸高速且合適進(jìn)給下的普通銑削也能處理蘑险。
如果保持在這些操作限制內(nèi),大量生產(chǎn)情況下金屬陶瓷能在很長時(shí)間里保持鋒利的切削刃待锈。雖然金屬陶瓷能在傳統(tǒng)速度和進(jìn)給下僅通過提高硬質(zhì)合金的刀具壽命和光潔度而值得使用漠其,但它能通過在加工合金鋼提高20%速度和加工碳鋼、不銹鋼和球墨鑄鐵提高50%速度而提高生產(chǎn)率竿音。
陶瓷和屎,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)的金屬陶瓷相似春瞬,對(duì)工件材料化學(xué)穩(wěn)定性好柴信,刀具壽命長而且能在高速下切削。純氧化鋁有極高的熱阻抗但強(qiáng)度和韌性低费犯,如果工況不佳的話較低的強(qiáng)度和韌性的組合會(huì)似得它容易破壞浸弦。為了使它對(duì)破裂敏感性降低,刀具制造商要么添加少量氧化鋯來提高韌性绷冈,要么混入20%到40%的碳化鈦和氮化鈦來提高抗沖擊性和熱導(dǎo)性弹噩。但是,韌性仍然要比硬質(zhì)合金低很多帐等。
另外一種提高氧化鋁韌性的方法是植入碳化硅加強(qiáng)物的晶隙或晶須国赫。雖然這些晶須典型的平均直徑只有1μm,長度是20μm,但它們很牢固并明顯地增加韌性和抗熱沖擊性颤赤。晶須最多能占到總量的30%勉窟。
和氧化鋁相象,氮化硅在比硬質(zhì)合金能承受的溫度更高的條件下維持良好的紅硬性暑锈,并且它能承受的熱沖擊和機(jī)械沖擊更好糊批。同氧化鋁相比它的主要缺點(diǎn)是加工鋼件時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性沒有氧化鋁好。盡管如此哀卿,氮化硅能以線速度435m/min干式加工灰鑄鐵叛赚,氮化硅通常被用于加工這樣的工件。
雖然使用陶瓷刀具金屬切除率能很高稽揭,但應(yīng)用必須是正確的俺附。舉例講,陶瓷刀具加工鋁并不好,但加工灰鑄鐵昙读、球墨鑄鐵、淬硬鋼和某些未淬硬鋼以及耐熱合金等效果很好膨桥。但是即使是在這些材料里蛮浑,用得是否成功取決于刃口修磨、刀具對(duì)工件的表現(xiàn)只嚣、機(jī)床和夾具的穩(wěn)定性沮稚、使用正確的操作和優(yōu)化的加工參數(shù)。
CBN册舞,硬度排在金剛石之后蕴掏。CBN是一種僅次于金剛石的極硬的刀具材料,通常材料硬度大于48HRC時(shí)工作最好(加工軟材料時(shí)CBN磨損很快)调鲸。溫度高到2000℃是還有極佳的紅硬性盛杰。雖然和硬質(zhì)合金相比更脆且導(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)度和抗破裂性而且對(duì)于剛性較低的機(jī)床也能切削硬金屬称痊。更進(jìn)一步贼欧,恰當(dāng)?shù)亩ㄖ艭BN刀具能承受大功率粗加工的切削載荷、斷續(xù)切削的擊打和精細(xì)加工所需的熱和磨損性能缸日。
對(duì)于指定工序恰當(dāng)?shù)亩ㄖ瓢C(jī)床和夾具的剛性勤友、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)绝话。CBN含量高的材質(zhì)等級(jí)對(duì)這些指定工序是必須的李联,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狼隶。
CBN含量低的材質(zhì)等級(jí)和CBN含量高的相比更脆睬够,但它們用于淬硬黑色金屬加工更好。它們的更低的熱導(dǎo)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)度便师。切削區(qū)更高的溫度軟化工件材料和幫助斷屑雁唁,而負(fù)前角強(qiáng)化刀具,使切削刃穩(wěn)定刮粥,提高刀具壽命车份,并允許比0.25mm小的切深。
因?yàn)镃BN刀具能獲得優(yōu)于0.4μm的表面光潔度并保持同軸度±0.012mm牡彻,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扫沼。雖然CBN是一種硬車和高速銑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庄吼,故而很必要用成本-效益分析來決定誰能得到最優(yōu)結(jié)果缎除。
PCD加工有色金屬表現(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最佳器罐。其硬度和耐磨性來自晶體各向異性和金剛石顆粒之間牢固結(jié)合阻止破裂擴(kuò)展梢为。把PCD刀頭焊到硬質(zhì)合金刀片上增加強(qiáng)度和抗沖擊性并能延長刀具壽命高達(dá)100倍。
然而轰坊,其它特性阻止它使用在多數(shù)加工操作上铸董。其一是PCD和黑色金屬里的鐵有親合性,由此而來的化學(xué)反應(yīng)使得這種刀具材料限制在有色金屬應(yīng)用上肴沫。另外一個(gè)受限制的特性是它無法承受超過600攝氏度的切削區(qū)溫度粟害。結(jié)果是PCD不能切韌的抗拉強(qiáng)度高的工件材料。
盡管這樣明因,PCD加工有色金屬時(shí)表現(xiàn)很好脏貌,最突出的是在加工耐磨高硅鋁合金時(shí)。鋒利的切削刃和大正前角對(duì)高效地剪切這種材料和切削力最小化以及抑制積屑瘤來說是關(guān)鍵的扭皿。在加工耐磨有色金屬材料所表現(xiàn)出化學(xué)穩(wěn)定性高和耐磨性好站绑,它能保持利于剪切所必須的鋒利切削刃。強(qiáng)化切削刃澄锉,減輕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)展荠划,由金屬陶瓷、陶瓷截抄、CBN刘纸、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。因此掰弯,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)力侈滚。
一個(gè)設(shè)計(jì)這種刀具的重要部分是切削刃的磨削,它使得切削力偏離刀片刃口改變方向到它的基體窍颗。三個(gè)這樣的刃口修磨是恰當(dāng)?shù)模贺?fù)倒棱坞角、珩磨、珩磨的負(fù)倒棱吸占。負(fù)倒棱象切削刃的一個(gè)倒角狀的平面晴叨,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矾屯,因?yàn)閷挾群徒嵌仍龃蠛蟮镀玫綇?qiáng)化但也增加了切削力兼蕊。
珩磨用于鈍化鋒利的切削刃。雖然它們不提供象負(fù)倒棱相同的抗微崩保護(hù)作用件蚕,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孙技。珩磨也能強(qiáng)化前、后刀面相交處負(fù)倒棱的作用排作。當(dāng)用陶瓷粗車鋼件發(fā)生微崩時(shí)牵啦,珩磨能釋放該處的應(yīng)力亚情、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哈雏,刀具設(shè)計(jì)人員也必須優(yōu)化切削角度并能排屑楞件。通過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)值盡可能大裳瘪,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除路徑幫助切屑排出履因,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圣治。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%到90%,這取決于刀具和加工參數(shù)敏袄。更進(jìn)一步辙紧,干加工改善切削過程的熱穩(wěn)定性;銑刀比五年前至少有更準(zhǔn)確的大屑嵛苟可;而且現(xiàn)代銑削和車削機(jī)床變得剛性越好足以消除過度的振動(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尿绕。
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想阎。舉例來講,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)度唧整。其結(jié)果是金屬切除率比傳統(tǒng)粗加工增加3倍瓤梦。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有時(shí)間流向工件并引起扭曲啊沟。盡管切削溫度很高辙使,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。
低沖擊的精加工也使工件茶宵、夾具和機(jī)床以及在高線速度下以每轉(zhuǎn)更低的進(jìn)給使用安裝小刀片低密度材料的刀盤的靜態(tài)變形達(dá)到最小危纫。因?yàn)橹喂ぜ恍韬艿偷膴A緊力,所以夾具能做得簡單乌庶,不需要一個(gè)加強(qiáng)筋种蝶、工件支撐和夾緊元件的復(fù)雜系統(tǒng)。結(jié)果是機(jī)床對(duì)箱體零件的各個(gè)面進(jìn)刀更多瞒大。
是不是機(jī)床喜歡干加工指定和裝備合適的機(jī)床也是這個(gè)戰(zhàn)略的一個(gè)重要部分螃征。由于速度通常很快、材料通常很硬透敌、切削溫度很高会傲,所以機(jī)床一定要?jiǎng)傂院霉β蚀蟆R虼俗驹螅瑢?duì)加工中心講使用者應(yīng)該努力縮短刀具懸伸并除了看速度和功率顯示外還要判斷主軸內(nèi)在剛性淌山。
在車床上切削接近成型的和淬硬的零件裸燎,解決了切削力問題刀塔能靠機(jī)床剛性實(shí)現(xiàn)很長的切削行程。一臺(tái)設(shè)計(jì)良好的機(jī)床將解決那些沿著短的直接通路的力并且包含盡可能少的移動(dòng)和支撐刀具的機(jī)床零件泼疑。在權(quán)衡精度和柔性后德绿,你也許認(rèn)為直接裝在橫刀架的刀具組能消除回轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)使刀具懸伸短闸声,平衡作用到導(dǎo)軌上的切削力并使支撐面最小化彻盐。
對(duì)精度來說熱穩(wěn)定性也是關(guān)鍵的。所以一些機(jī)床制造商用軟件補(bǔ)償熱膨脹的辦法改進(jìn)他們的加工中心的機(jī)械部分性能贿叉。然而晕忙,控制溫度變化將開始有效地外排熱切屑來消除工作系統(tǒng)內(nèi)部的重要熱源。好的機(jī)床設(shè)計(jì)將沒有積聚切屑的腔和托盤而是有不靠切削液幫助就能排出干切屑螺旋推運(yùn)器和切屑運(yùn)送裝置净纬。如果流體的協(xié)助是必需的話膛画,考慮使用空氣替代流體。
為了保護(hù)滾珠絲杠打洋、導(dǎo)軌和操作工吸入空氣里的灰塵癞亩,伸縮蓋、罩剥跃、密封和吸塵器也是需要的绪痘。從濕式加工轉(zhuǎn)變到干切削的機(jī)床設(shè)計(jì)是可行的,買一臺(tái)干加工的機(jī)床總體來講費(fèi)用較低笙寻、問題更少钱雷。它的吸塵器和壓縮空氣輸送系統(tǒng)也比相對(duì)應(yīng)濕式加工需要的油霧收集器和冷卻泵便宜。運(yùn)行成本也由于干加工消除冷卻液管理和處理費(fèi)用而垂直下降吹零。更進(jìn)一步急波,干加工使你從現(xiàn)在和將來的切削液使用責(zé)任規(guī)章制度解放出來。
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