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      值得一試的干切削
      來源:深圳市朝陽數控刀具有限公司 發布日期:2010/5/19 13:17:24

          在過去的二十年里,使用切削液的經濟性已經發生了戲劇性的變化。早在80年代初,對于大多數機加工來說采購、管理和處理切削液的費用就占總成本小于3%今天,平均來說,切削液的費用(包括管理和處理)占總成本的16%。由于切削刀具只占加工項目總成本的4%,接受一種以稍短的刀具壽命換取停用切削液所節約的成本以及維護切削液所帶來令人頭痛的問題,可能成為費用更低的選擇。  

      況且刀具壽命甚至可能不會縮短。因為涂層硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷、立方氮化硼(CBN)和聚晶金剛石都是脆性的,它們對由熱應力引起的微崩和破裂很敏感,尤其是在端面車削和銑削加工時,冷卻液的介入會加劇這種傾向。    

      例如,在銑削中當切削刃切入和切出工件時,切削刃被加熱和冷卻。這些溫度波動引起的膨脹和收縮會導致疲勞。最終將形成一連串垂直于切削刃的梳狀熱裂紋并且引起破裂。添加切削液通常會使情況更糟,其道理很簡單。大部分冷卻液作用在工件上比切削區溫度低很多的部位。專家們還在爭論一個問題:是否所有切削液都到達了切削區域(即切屑和工件之間的區域)來控制加工的熱源。冷卻液通常只冷卻周邊區域(先前較熱的區域),因此加強了溫度梯度并增加了熱應力。

      攻絲、鉸孔和鉆孔確實需要切削液的幫助,但不一定是為了冷卻的目的。特別是用于鉆孔時,是為了鉆尖的潤滑,也為了將排出的切屑從孔中沖走。沒有切削液,切屑會堵塞在孔中,并且加工表面的平均粗糙度是濕式加工的兩倍。潤滑鉆頭刃帶和孔壁之間的接觸點也能降低機床的扭矩需求。

      某些材料適合干切削

          除費用和刀具壽命之外,影響選用干切削的另一個因素是工件。有時,切削液可能弄臟零件或產生污染。 想想看,進行醫學植入的情況,例如為髖部植入一個球形關節。在這種不允許污染的地方,切削液是不受歡迎的。

          一個工件對于干切削工藝適合與否也取決于材料本身。例如,對于大多數鑄鐵、碳鋼和合金鋼的切削來說,切削液是多余的。這些材料加工起來相對容易,熱傳導性好,允許切屑帶走產生的大部分熱量。也有一些例外,就是低碳鋼,當含碳量下降時,它變得更粘。這些合金需要切削液來潤滑以防止熔焊。

             通常情況下,當加工大多數的鋁合金時,切削液不是必需的,因為切削溫度相對較低。這些材料在確實發生切屑熔焊時,大的正前角和鋒利的切削刃通??梢越鉀Q這個問題。 然而,當高速切削鋁合金時,高壓的冷卻液是有幫助的,因為用簡單的壓縮空氣進行斷屑和排屑是不夠的。

      干切削不銹鋼更為困難一些。在這些材料中,熱量會引起一些問題。 例如,它能使馬氏體不銹鋼過度回火。對于很多奧氏體不銹鋼,由于熱導率往往很低,所以熱量由切削區域到切屑的流動也不好。于是切削刃過熱,刀具壽命縮短到不能接受的程度。在切削不銹鋼的過程中使用切削液是很必要的,還因為許多不銹鋼都是粘性的,這就意味著它們有沿切削刃方向會產生積屑瘤的傾向,從而導致粗劣的表面光潔度。

      對于許多材料來說,幾乎不會選擇干切削。所有種類的高溫合金都需要切削液。尤其是切削鎳基和鉻基高溫合金時,產生極高的溫度,需要切削液來帶走熱量。同時,切削液的潤滑能力還能保持產生的熱量最小。

      切削鈦合金時,切削液是強制性的。雖然研究人員正在研究干式切削鈦合金的途徑,但是這種材料的性質對這項工作產生了極大的障礙。它是粘性的,熱導率低而且(還有某些合金)閃點很低。因此,鐵屑不能把熱量帶走,工件變熱足以被點燃和燃燒起來。(雖然鎂斷屑容易,但也容易燃燒。) 切削液通過潤滑切削刃、沖走切屑和冷卻工件來防止產生這個問題。為保證切削液起到這些作用,當加工鈦合金時,人們更傾向于在高壓時使用切削液,壓力通常在4,0007,000/平方英寸范圍內。

          有時,粉末合金也需要切削液來產生薄薄的一層油膜作為防銹劑。

      刀具必須控制熱量

      一些公司已經碰巧獲得干切削的價值,而也有一些工廠有目的的進行嘗試,但卻無法看到它的益處。 原因是干切削的成功應用不僅僅要求消除冷卻液,而且還要求在整個過程中有一套控制熱量的系統方法。

      刀具影響熱傳遞的最重要的方式是通過產生良好的切屑。 切屑能帶走85%切削產生的熱量,并且只允許5%傳入工件,而10%的熱量傳入刀具和其它地方。新式的斷屑槽壓入刀具表面,這樣非常有利于控制切屑的形狀和尺寸。

      因為切屑較熱,因此延展性比對應的濕式加工更好,使得斷屑更難并更有可能產生導致表面光潔度變差的有危險性的切屑纏繞。使用一種專為剪切帶狀切屑工件材料設計的斷屑槽有助于解決這個問題。雖然這樣的切削刃會有更大的正前角,但是它們不會像在濕式加工中那樣脆和易碎。干切削中固有的很高的切削溫度通??梢陨晕④浕操|合金,增加了其韌性,降低了微崩的可能性,并提高刀具的可靠性和刀具壽命。

      基于同樣的理由,干切削時換成更硬一些的刀具幾乎不會降低刀具壽命或切削一致性。而實際上,恰恰相反。更硬的基體能夠保證切削刃在高溫切削時的完整性,而輕微的軟化能夠防止它變得太脆。其結果是,用戶可以指定一種更硬的硬質合金材質等級來提高抵抗變形和月牙洼磨損(切削刃的化學溶解)的能力。否則,在干切削時會大大縮短刀具壽命。

      為干切削設計的刀具可以更加鋒利,并且比濕式加工切削更為輕快,實際上它產生的摩擦力較少并且有助于熱量的控制。對于鉆削的研究表明,減少切削刃修磨來生成更鋒利的鉆頭能降低40%的切削溫度。鋒利的切削刃不僅可以保持較低的溫度,而且可以減少徑向跳動并提高表面光潔度。 

          另一個有助于在切削過程中打碎并排出切屑的方法是用氣體替換液體,其中壓縮空氣最為普遍。雖然在冷卻時沒有效果,但有時一陣壓縮空氣足夠將切屑在切削過程中吹出來,防止了二次切削,防止多余的熱量轉移到工件和機床中。當潤滑必要時,用戶便應用一種高效潤滑劑,產生一層薄霧,在切削過程中消耗。有時,最有效的方法是一種相對較新的技術,稱為最低量潤滑(MQL),它是通過向刀具中注入少量的冷卻劑進行潤滑的。

        涂層使刀具隔熱

      刀具涂層在保護切削刃中也起重要作用。為了進行干式加工,裝上最有效的切削刀具,結合一種特殊工業化涂層系統的方法,鍍上一層富鈷區基體,使內部和表面都變硬。利用傳統工藝和中溫化學氣相沉積工藝生產出非常厚的復合涂層,厚達20微米。第一層碳氮化鈦涂層產生對基體和刃口韌性的必要支撐。

      接下來的一層細顆粒氧化鋁提供有效熱屏障,適合干切削和高切削速度。第二層是耐磨的碳氮化鈦,它有助于控制后刀面和月牙洼磨損,而頂層的氮化鈦則能產生抗積屑瘤能力,并且能夠更容易的確定刀具的磨損程度。

          潤滑性好的涂層通過降低摩擦力來減少熱量的產生。例如二硫化鉬和硬質合金涂層具有低摩擦系數,在切削過程中就能夠起潤滑作用。然而,這些涂層很軟,而且刀具壽命相對較短。為彌補這個局限性,這些涂層常常與堅硬的襯層一起使用,例如碳化鈦,氮鋁化鈦,氧化鋁或一些化合物。

        車削時,在干切削中更容易發生切屑纏繞。對于車削鋼件,這里所指的刀片是以富鈷區基體和20微米厚的復合涂層為特征,形成一個熱屏障。  

       找到最好的切削參數

          如果想在干切削方面取得較好的效果,除了需要指定正確的切削刀具以外,還有很多需要注意的地方。最適宜的主軸轉速、進給速率和切削深度也很重要。例如,如果利用改變斷屑槽的方法不能充分控制切屑,可以試著調節進給速率。增加進給速率通常能得到最好的效果,減少進給速率不利。

          使用適當的切削參數也有助于使熱量產生到最小。最顯而易見的方法是利用較高的速度和進給就能達到,當以更快的速度切削工件材料時減少了切屑的負載。這樣,切削時間較少,同時也減少了產生熱量的時間以及熱量滲入工件的時間。

      但是有時降低主軸轉速的15%左右是降低切削溫度的最佳行動方案。為了防止生產率受影響,用戶可以相應增加進給速率。一定要參考機床的扭矩圖表以確保較低的軸速和較高的進給速率不會增加扭矩要求以及使主軸悶車。如果扭矩的要求超過主軸的能力,可以選用直徑小一些的刀具。如果較高的進給速率對表面光潔度不利,可以增加刀具的刀尖半徑作為補償。

      在銑削中,切削深度也會影響切削溫度,因為它既影響了切削力,也影響了冷卻時間。滿切削的銑刀切削工件時,一半的時間切削并被加熱,另一半的時間進行空冷。然而,當嚙合寬度只有50%的時候,就只有1/4的時間在切削,3/4的時間進行空冷。換句話說,工件只用了相當于原來一半的時間獲得熱量,而更多的時間是用來冷卻。大多數刀具制造商根據不同硬度值的最佳切削溫度來確定切削深度,因此請遵循他們的建議。

       機床也扮演著一個角色

      當刀具從切削區排出切屑時,機床必須盡它的職責迅速將切屑帶走。如果切屑在機床或其它地方積聚,甚至即使積聚了相對較短的時間,切屑內部的熱量也能傳到床身,引起膨脹和微小扭曲,影響精密加工的精度。

      由于沒有切削液帶走切屑和吸收熱量,機床必須依賴它本身的設計有效地移走切屑。對于干式銑削加工來說,臥式機床是最好的,因為在這種機床上允許切屑直接落在機床下面的切屑傳送帶上。實際上,一些設計者已經設計了最新HMC,通過在中心開孔來消除在水平面上堆積切屑。

      對于車削,首選的主軸方向恰恰相反。立式卡盤是完全封閉的,當零件旋轉時,切屑依靠慣性被甩到內壁上。切屑隨后落到下面的傳送帶。很多設計者已經設計了最新的立式車床,帶有倒置的主軸,更進一步利用了重力。

      雖然當今還沒有適用于所有機床的標準切屑傳送帶,但是對于干式加工來說,它是必須的。真空過濾裝置也能將加工鑄鐵和石墨時封閉在機床中的灰塵除去。

      不管機床在排屑方面多有效率,但當沒有使用切削液以增加熱穩定性時,機床和工件就會對溫度變化更加敏感。其結果是,涉及到高精度應用場合也許需要機床具有對稱設計和熱補償包以進行實時調節補償。用戶可能也考慮到周期性測量工件的關鍵尺寸,用在線探查的方式或在離線測量站監測熱漂移的方法,并在必要時采取糾正措施。

      控制熱波動的另一種方法是在設計工藝時把波動值降到最小。例如,早晨開動機床之后,操作工會給機床一些時間空轉以達到一種穩態,并且利用自動化使機床在不加工時保持運行。對于在同一工位進行幾個操作的應用來說,首先應計劃執行干式加工,然后鉆孔、攻絲,最后是其它濕式加工。采取這種預防措施能夠將切削液的用量降到最小,并且可以防止其對干式加工的干擾。

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