干切削

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干切削簡介
    干運轉   僅僅20年前,切削液是便宜的且占多數加工過程的比重少於3%。所以很少有機械加工廠對它們關注很多。在那時以後隨著時間的推移發生了戲劇化的變化:……
干切削正文

    干運轉


僅僅20年前,切削液是便宜的且占多數加工過程的比重少於3%。所以很少有機械加工廠對它們關注很多。在那時以後隨著時間的推移發生了戲劇化的變化:如今的切削液費用估計達每年幾十億美圓且占生產成本高達15%。現在,機加工行業無時不刻都在為他們的切削液擔憂。


切削液,尤其是那些含油的,已成為巨大的負擔。不管某種切削液有多安全和環保,政府法令仍將要求你從傾倒到池裡的那一刻起進行特殊處理。即使你的當地政府允許你從桶中傾倒清潔的不含油的合成液到排水溝,一旦它同在機床里夾雜油和金屬碎屑混合物它就變成一種受控的工業廢料。不僅美國環境保護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行分類並如果它們含油和某些合金強加嚴格控制。


因為很多高速加工和切削液噴嘴產生細油霧或工人能呼吸到的氣溶膠,政府機構還限制空氣里切削油霧的允許量。提高機加工企業計劃成本和責任更多,環境保護局已經計劃更嚴格的針對控制這些空氣里的微粒的標準。職業安全和健康管理局也正在考慮一個諮詢委員會推薦通過一個最大值到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、記錄存檔和遵循現行和計劃的規定所產生的成本正迫使切削液的價格迅速上漲。大型工廠支付從幾萬到幾十萬的資金來維護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。其結果是很多機加工企業正在就通過干切削來避免費用和伴隨切削液產生的副作用展開討論。


雖然大多數工廠可能承認有消滅切削液的願望,但他們不能確定能做得到。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。很多從濕式加工轉變到干加工的可見成本也是高的。如今都不成為問題。實際上,在很多加工中常規操作應該是干加工。再者,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。其技巧是正確集成刀具、機床和切削技術。


切削液有損害而沒有幫助


更多採用干切削最大的障礙之一是切削液對於取得較好光潔度和更長刀具壽命是必要的傳統認識。雖然現實中對於許多應用仍然是必要的,但是研究表明有了現代切削刀具材料和當今更高的切削速度就不是這樣的。先進的硬質合金材質等級,尤其是有塗層保護的,在高速高溫下不使用切削液實際上切得更有效率。實際上在斷續切削時切削區溫度越高,切削液越變得不合適。


這種似乎是跟直覺相反的趨勢的原因在於切削區變得非常熱,通常超過攝氏1000度,尤其是在高速切削和硬材料切削時。舉例來說,假定切削液能克服銑刀高速旋轉產生的離心力,切削液在到達切削區之前早已汽化並對那裡幾乎沒有冷卻作用。


結果是有一個在當刀片切入切出時產生先天的溫度波動更明顯的區別。隨著刀具的旋轉當刀片切出時冷卻,然後在切入時再一次被加熱。雖然在干加工時也發生加熱和冷卻循環,但是當有切削液時溫度波動更大。跟著發生的熱衝擊會在刀片上產生應力並會過早地破裂。


相似的結果也在車削時發生。譬如當在切削速度高於130m/min時切削碳鋼,暴露在冷卻液里不塗層硬質合金刀片能承受顯著的熱衝擊少於40秒。這種衝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。因為大多數生產車削少於40秒,對於刀具壽命來說干車通常是更可取的。


另一方面,在鑽削時為了提供潤滑和把切屑從孔里衝出來切削液通常是必須的。沒有切削液,切屑會堵在孔里,而且平均表面粗糙度Ra是濕式加工的兩倍。切削液通過潤滑邊緣碰到孔壁的鑽尖也能降低必要的馬達扭矩。雖然塗層鑽頭在某種程度上會加倍切削液的潤滑效果,但是降低切削力的塗層最可能的趨勢是把摩擦降到最低。


因為還沒有用於預測切削液效果和性能的科學模型,是否採用干切削你必定取決於具體的案例。潤滑液通常針對低速加工、難加工材料、難加工和表面光潔度有要求,而一個有高冷卻能力的切削液會提高高速加工、易切材料、簡單加工、積屑瘤問題和緊尺寸公差加工的表現。然而很多時候切削液提供的額外性能並不值得額外的開銷。在越來越多的應用中,切削液簡直是不必要的或徹頭徹尾有害的因為現代切削刀具適合更高的溫度而且壓縮空氣能從切削區域帶走熱切屑。


塗層處理熱量


塗層是當今使切削液通常不需要的另一個原因。它們通過抑制從切削區到刀片或刀具的熱傳遞來控制溫度波動。塗層的作用象熱障,因為它有比刀具基體和工件材料低很多的熱導性。因此塗層刀片和刀具吸收較少的熱量並能承受更高的切削溫度,這意味著在車削和銑削不犧牲刀具壽命的前提下更高速的切削。


厚度範圍在2到18微米的塗層在刀具性能里扮演一個重要的角色。因為薄塗層比厚塗層在快速冷卻和加熱過程中引起更低的應力並且不易破裂,對於斷續切削這個厚度帶寬較薄的一端承受溫度波動更佳。厚塗層經受相同的應力,當你加熱或冷卻太快時容易破裂。因此,用薄塗層刀片干加工通常延伸刀具壽命達40%。


這是為什麼圓刀片和銑刀片代表性地用物理氣相沉積(PVD)的一個重要原因。和相對應的化學氣相沉積(CVD)相比PVD塗層更薄,粘著力更佳。除了更薄,它們的沉積溫度要低很多。所以在車削和銑削刀具發現更多使用鋒利切削刃和大的正前角。


雖然氮化鈦(TiN)占所有塗層刀具的80%,氮鋁化鈦(TiAlN)作為針對高速精加工的最佳PVD塗層出現了。象高速車削那樣的連續高溫切削時它超過TiN性能的3倍。在象干銑和小直徑深孔鑽削由於切削液很難滲透等高熱應力工況下它也勝出很多。


在切削溫度下TiAlN比TiN更硬,它是目前最熱穩定和抗化學磨損的PVD塗層。其硬度高達維氏硬度3500,而且它的工作溫度高達華氏1470度。雖然沒有人知道為什麼會如此,但是科學家猜想這些特性來自一種當某些高溫下塗層表面氧化時在切屑-刀具接觸面形成的非晶質的氧化鋁膜。


應用更薄的多層PVD塗層使其更適合於干加工的研究正在進行。這種沉積工藝建立一種由數百層僅幾納米厚的塗層構成。相反,傳統PVD工藝由幾層微米級的塗層沉積而成。


儘管對PVD塗層有強烈的興趣,與之相對應的CVD對於大多數黑色金屬工件材料來說一直是受歡迎的。CVD工藝很高的沉積溫度有助於粘著並且允許基體生成強化刃口和幫助基體抵抗變形的富鈷區。由於它們比PVD塗層更厚,因此需要對切削刃更重的珩磨來防止象牆角厚層塗料的剝落那樣的開裂。這個設計抗磨性也好且能在進給量超過每轉0.076毫米到每轉0.89毫米下工作。


CVD也是唯一使用已知最佳抗熱和氧化磨損的氧化鋁塗層沉積工藝。氧化鋁導熱差,因此隔離切屑形成過程中產生的熱量並迫使熱量流入切屑。使得它成為硬質合金里最適合干加工的優異的CVD塗層。在高速下它保護基體,是抗磨料磨損和月牙窪磨損的最佳塗層。


先進材料喜歡干加工


雖然塗層材質等級有更好的刀具壽命且在干銑加工時比濕式加工更可靠,但是對於高速加工的要求使切削溫度超越硬質合金刀具的經濟極限。譬如在每分鐘14000轉和線速度每分鐘400米下干加工灰鑄鐵,刀具前面的切削區能加熱到600到700攝氏度之間。金屬切除率同那些用更傳統技術銑削鋁接近,但是對於傳統切削刀具來說加工灰鑄鐵產生的溫度太高。


因此,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、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。(今天,術語『陶瓷』包括氧化鋁和氮化硅兩種,而不是過去僅指的氧化鋁。)雖然不是針對黑色金屬材料,聚晶金剛石(PCD)也是一種適合干加工刀具材料。然而,在所有材料里權衡更大的紅硬性和抗磨料磨損性能的後果是易碎性。


金屬陶瓷,一種先進的硬質合金。舉例講,金屬陶瓷同傳統硬質合金相比能在更高的溫度下工作,但不如硬質合金耐衝擊、中等到重載下的韌性和低進給和高進給時的強度。然而,金屬陶瓷在同傳統硬質合金一樣的輕載下具有大致相等的刃口強度並在更高的切削速度下承受溫度和磨損更好,持續時間更長且表面光潔度更佳。對於延展性好的和粘的材料,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更好。


更好的紅硬性來自組成刀具材料的鈦化物。金屬陶瓷,一個陶瓷和金屬的首字母縮略字,是一種包含硬的鈦基化合物(碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦)的燒結碳化物,它是以鎳或鎳鉬做粘接劑而不象製造傳統硬質合金那樣用鈷做粘接劑。由於金屬粘接劑的溫度限制,典型的金屬陶瓷材質等級的紅硬性不能用於加工硬度超過洛氏40的材料。


金屬陶瓷也對破壞和進給引起的應力要比塗層和不塗層硬質合金敏感得多。因此,它在需要高精度和良好光潔度並工作在高切削速度、低進給、小切深的加工時表現最佳。理想的加工操作是那些切削時沒有嚴重斷續的情況。對於車削碳鋼進給的上限通常是每轉0.63毫米,並且也能處理主軸高速且合適進給下的普通銑削。


如果保持在這些操作限制內,大量生產情況下金屬陶瓷能在很長時間裡保持鋒利的切削刃。雖然金屬陶瓷能在傳統速度和進給下僅通過提高硬質合金的刀具壽命和光潔度而值得使用,但它能通過在加工合金鋼提高20%速度和加工碳鋼、不鏽鋼和球墨鑄鐵提高50%速度而提高生產率。


陶瓷,是刀具材料的一個分支。陶瓷切削刀具同它們相對應的金屬陶瓷相似,對工件材料化學穩定性好,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度和韌性低,如果工況不佳的話較低的強度和韌性的組合會似得它容易破壞。為了使它對破裂敏感性降低,刀具製造商要麼添加少量氧化鋯來提高韌性,要麼混入20%到40%的碳化鈦和氮化鈦來提高抗衝擊性和熱導性。但是,韌性仍然要比硬質合金低很多。


另外一種提高氧化鋁韌性的方法是植入碳化硅加強物的晶隙或晶須。雖然這些晶須典型的平均直徑只有一微米長度是20微米,但它們很牢固並明顯地增加韌性和抗熱衝擊性。晶須最多能佔到總量的30%。


和氧化鋁相象,氮化硅在比硬質合金能承受的溫度更高的條件下維持良好的紅硬性,並且它能承受的熱衝擊和機械衝擊更好。同氧化鋁相比它的主要缺點是加工鋼件時化學穩定性沒有氧化鋁好。儘管如此,氮化硅能以線速度每分鐘435米乾式加工灰鑄鐵,氮化硅通常被用於加工這樣的工件。


雖然使用陶瓷刀具金屬切除率能很高,但應用必須是正確的。舉例講,陶瓷刀具加工鋁並不好,但加工灰鑄鐵、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。但是即使是在這些材料里,用得是否成功取決於刃口修磨、刀具對工件的表現、機床和夾具的穩定性、使用正確的操作和優化的加工參數。


CBN,硬度排在金剛石之後。CBN是一種僅次於金剛石的極硬的刀具材料,通常材料硬度大於洛氏硬度48時工作最好(加工軟材料時CBN磨損很快)。溫度高到攝氏2000度是還有極佳的紅硬性。雖然和硬質合金相比更脆且導熱性和化學穩定性低於陶瓷,但它有比陶瓷刀具更高的衝擊強度和抗破裂性而且對於剛性較低的機床也能切削硬金屬。更進一步,恰當的定製CBN刀具能承受大功率粗加工的切削載荷、斷續切削的擊打和精加工所需的熱和磨損性能。


對於指定工序恰當的定製包括機床和夾具的剛性、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含量高的材質等級。CBN含量高的材質等級對這些指定工序是必須的,因為它們具有刃口重載條件下高速加工要求的高導熱性和韌性以及用於嚴重斷續切削。這些性能使得這種材質等級的刀具材料被用作粗加工淬硬鋼和珠光體灰鑄鐵。


CBN含量低的材質等級和CBN含量高的相比更脆,但它們用於淬硬黑色金屬加工更好。它們的更低的熱導性和相對更高的承受高速切削和負前角所產生熱量的抗壓強度。切削區更高的溫度軟化工件材料和幫助斷屑,而負前角強化刀具,使切削刃穩定,提高刀具壽命,並允許比0.25毫米小的切深。


因為CBN刀具能獲得優於0.4微米的表面光潔度並保持同軸度正負0.012毫米,干車淬硬工件通常是一種有吸引力的替代骯髒的強化冷卻的磨削加工方案。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的應用範圍有驚人的重疊,故而很必要用成本-效益分析來決定誰能得到最優結果。


PCD加工有色金屬表現突出。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。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合阻止破裂擴展。把PCD刀頭焊到硬質合金刀片上增加強度和抗衝擊性並能延長刀具壽命高達100倍。


然而,其它特性阻止它使用在多數加工操作上。其一是PCD和黑色金屬里的鐵有親合性,由此而來的化學反應使得這種刀具材料限制在有色金屬應用上。另外一個受限制的特性是它無法承受超過600攝氏度的切削區溫度。結果是PCD不能切韌的抗拉強度高的工件材料。


儘管這樣,PCD加工有色金屬時表現很好,最突出的是在加工耐磨高硅鋁合金時。鋒利的切削刃和大正前角對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鍵的。在加工耐磨有色金屬材料所表現出化學穩定性高和耐磨性好,它能保持利於剪切所必須的鋒利切削刃。


強化切削刃,減輕載荷


儘管自從推出后它們的物理性能提高以及應用領域的發展,由金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD做成的刀具仍然比硬質合金更脆並且不能承受同樣大的應力。因此,由它們做成的刀具需設計成能增強支撐和釋放應力。


一個設計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。三個這樣的刃口修磨是恰當的:負倒棱、珩磨、珩磨的負倒棱。負倒棱象切削刃的一個倒角狀的平面,它取代薄弱鋒利的刀尖。這裡刀具設計人員的目標是發現使保證切削刃足夠的強度和壽命的最小帶寬和角度,因為寬度和角度增大后刀片得到強化但也增加了切削力。


珩磨用於鈍化鋒利的切削刃。雖然它們不提供象負倒棱相同的抗微崩保護作用,但珩磨對由先進材料製作的小切深小進給以保持最小切削力的精加工刀片很有效。珩磨也能強化前、后刀面相交處負倒棱的作用。當用陶瓷粗車鋼件發生微崩時,珩磨能釋放該處的應力、強化刀片而不要加寬負倒棱。


除了指定針對某個加工的最佳刃口修磨,刀具設計人員也必須優化切削角度並能排屑。通過加大后角降低切削力讓刀具上的應力減少並降低切削區的溫度。正前角的數值儘可能大,靠更好的剪切作用也減少切削力並加寬卷屑槽空間靠加大排出路徑幫助切屑排出,特別是在鑽削和螺紋加工時。


保持低的切向切削力的另一種方法是高速切削。在很高主軸轉速下的高進給率降低而不是增加對工件的衝擊多達75%到90%,這取決於刀具和加工參數。更進一步,干加工改善切削過程的熱穩定性;銑刀比五年前至少有更準確的大小;而且現代銑削和車削機床變得剛性越好足以消除過度的振動。所有這些發展都支持使用脆但更硬更耐磨的刀具材料。


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。舉例來講,加工鑄鐵時熱量增加切削區材料的塑性並降低它的屈服強度。其結果是金屬切除率比傳統粗加工增加3倍。因為進給率高,刀具剪切切屑快以致大部分熱留在切屑里而沒有時間流向工件並引起扭曲。儘管切削溫度很高,但工件的熱穩定性更好而且要比在傳統金屬切除率條件下更精確。


低衝擊的精加工也使工件、夾具和機床以及在高線速度下以每轉更低的進給使用安裝小刀片低密度材料的刀盤的靜態變形達到最小。因為支撐工件只需很低的夾緊力,所以夾具能做得簡單,不需要一個加強筋、工件支撐和夾緊元件的複雜系統。結果是機床對箱體零件的各個面進刀更多。


是不是機床喜歡干加工


指定和裝備合適的機床也是這個戰略的一個重要部分。由於速度通常很快、材料通常很硬、切削溫度很高,所以機床一定要剛性好功率大。因此,對加工中心講使用者應該努力縮短刀具懸伸併除了看速度和功率顯示外還要判斷主軸內在剛性。


在車床上切削接近成型的和淬硬的零件,解決了切削力問題后刀塔能靠機床剛性實現很長的切削行程。一台設計良好的機床將解決那些沿著短的直接通路的力並且包含儘可能少的移動和支撐刀具的機床零件。在權衡精度和柔性后,你也許認為直接裝在橫刀架的刀具組能消除迴轉分度機構。這種設計使刀具懸伸短,平衡作用到導軌上的切削力並使支撐面最小化。


對精度來說熱穩定性也是關鍵的。所以一些機床製造商用軟體補償熱膨脹的辦法改進他們的加工中心的機械部分性能。然而,控制溫度變化將開始有效地外排熱切屑來消除工作系統內部的重要熱源。好的機床設計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器和切屑運送裝置。如果流體的協助是必需的話,考慮使用空氣替代流體。


為了保護滾珠絲杠、導軌和操作工吸入空氣里的灰塵,伸縮蓋、罩、密封和吸塵器也是需要的。從濕式加工轉變到干切削的機床設計是可行的,買一台干加工的機床總體來講費用較低、問題更少。它的吸塵器和壓縮空氣輸送系統也比相對應濕式加工需要的油霧收集器和冷卻泵便宜。運行成本也由於干加工消除冷卻液管理和處理費用而垂直下降。更進一步,干加工使你從現在和將來的切削液使用責任規章制度解放出來

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