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绿色切削影响刀具技术发展方向

  绿色切削技术是基于不用或少用切削液的一种切削加工方式,如何散热是其关键所在,具体到切削刀具上,刀具能否承受巨大切削热则成为实现绿色切削的关键。因此,绿色切削刀具的研发就显得极为重要。

  很显然,冷却方式的改变也正在让刀具发生变化,以不断适应新的切削环境。适应绿色切削技术的刀具需要作出什么样的改变?伊斯卡刀具国际贸易(上海)有限公司技术总监吴江在接受记者采访时表示:“绿色切削技术正在影响刀具技术的发展方向,刀具企业为应对绿色加工需求,需要研发新型刀具材料,并注意刀具材料与工件材料的合理搭配以及切削时防止对刀具材料与工件材料的扩散、粘结。”

  记者:与传统刀具相比,绿色切削刀具尤其是干切削刀具会有更多新的技术要求,这些技术要求具体表现在刀具的哪些方面?

  吴江:绿色切削刀具不仅涉及到刀具材料、刀具涂层,还涉及到刀具几何结构、刀柄结构、加工机床、切削用量、加工方式等各个方面,需要综合考虑刀具材料、涂层材料、几何形状以及三者之间的相互兼顾及优化。”

  在刀具几何结构方面,刀具设计应力求遵循“低切削温度”设计原则,刀具结构设计必须考虑使加工过程中产生的热量尽可能少,也就是说刀具结构应力求做到低切削力及低摩擦。比如刀具的排屑槽形轮廓设计要保证低摩擦切屑的流动,以减少加工中刀具与切屑间的摩擦,使排屑方便快捷,减少热量堆积。

  除了研究刀具材料的硬度、韧性、热稳定性问题外,还要考虑不同刀具材料在切削中的适应性,不同被切削材料在切削中的作用、特点、性能等。刀具几何参数设计、刀片形状及几何参数的合理确定,对充分发挥刀具切削性能非常重要,所以我们也不断的研发强度更高的刀片形状和更牢靠的刀片夹紧方式,考虑刀体质量分布调整的合理,使得刀体膨胀均匀等等。

  对几何参数而言,我们强调小切削力低切削温度原则。值得指出的是,刀具结构、刀具几何参数的设计与刀具材料,被加工工件材料、切削工艺参数、机床条件、冷却方式等因素有关,需经过一定的工艺试验研究后,才能取得用于生产实际的优化值。

  在干切削中,金属切削层的软化理论是很重要的一面。切削过程中急剧升高的切削温度会引起刀具寿命下降,但同时高温会使被加工材料的抗剪强度和抗拉强度下降,使切削力降低,刀具寿命反而提高。要利好这两方面的作用,便涉及到工作材料、刀具材料、切削要素等工艺系统各因素共同作用的态势,这是我们关注并加以研究的。

  记者:干切削是目前应用较多且比较成熟的绿色切削技术,要实现干切削,刀具需要满足哪些技术要求?伊斯卡在这方面做出了哪些努力?

  吴江:干切削是对传统生产方式的一种变革,这种先进的制造技术已成为金属切削加工的主要方向。要实现干切削,刀具材料必须要有优良的热硬性和耐磨性,可以有效地承受切削过程的高温;要有较低的摩擦系数,可以降低刀具与切屑与工件表面之间的摩擦抑制切削温度的上升;要有较高的强度和耐冲击性能,可以承受更大的切削力和更差的切削条件。目前立方氮化硼、聚晶立方氮化硼、金刚石、聚晶金刚石、陶瓷、金属陶瓷、超细晶粒硬质合金和硬质合金涂层等刀具材料已广泛用于干切削之中。

  通常的刀具不能适应干切削,为此,干切削加工应优化刀具几何参数,即要求刀具具有较大的前角,并配合适宜的切削刃形状。如ISCAR各种铣削刀片的-PDR和-PDR HM槽型,采用零度小菱刃和双正前角设计,即减小了切削力又加强了刃口的强度和容热性能。为减少切削热,ISCAR在车刀片、槽刀片和铣刀片前刀面上设置加强棱,可以在接触区形成鳞状切削面,刀具与切屑的接触面积大大减小,绝大部分热量被切屑带走,切削温度比普通刀片大大降低,同时也增大了剪切角,使刀具寿命显著提高。

  ISCAR近两年开发了众多可用于干切削的刀具材料:刀片的耐磨性和韧性高的IB90及IB85,CBN含量高达85%和90%,能应对断续切削所带来的震动。相对应的,低CBN含量的牌号IB55和IB50更适合于半精加工及精加工。ISCAR的IS6是新的赛阿龙SiAlON陶瓷,是对现有陶瓷牌号 IS8、IS80的补充,赛阿龙SiAlON陶瓷牌号具有硬度高的特点,抗崩刃,具有优异的耐热性,可实现比 SiN 基陶瓷更高的切削速度,用于高速粗精加工铸铁。

  记者:正被广泛应用的涂层刀具在切削加工中有很多优势,针对绿色切削的涂层技术又有哪些改变?

  吴江:涂层刀具综合了高的硬度及耐磨性、高的耐热性、高的韧性、高的抗粘结性能、高的化学稳定性和低的摩擦系数,一般来说,涂层分硬涂层和“软”涂层了两大类。其中“软”涂层是指硫族化合物M0S2或WS2或TaS2等减摩涂层,能显著降低摩擦系数,这类涂层刀具也称“自润滑刀具”,此种涂层刀具在一定程度上弥补了无切削液的润滑作用,抵制切削温度上升,很适合绿色切削。

  ISCAR尤其重视涂层刀具的研发。ISCAR的IC908、IC907、IC903采用具有良好抗机械冲击和热冲击性能的超细晶粒硬质合金作为基体,通过具有更低摩擦系数的PVD涂层工艺涂覆耐高温材料TiAlN,可改善刀具与工件、切屑的摩擦,减少热量的产生,此外,TiAlN涂层还起到隔热作用,使刀具在干切削时能承受更高的温度。PVD-TiAlN涂层随A1含量的提高,其硬度更高,抗高温断裂性更强,有很高的硬度和耐磨性能,而氧化温度不变,所以ISCAR又开发出了具有更高Al比例的PVD-AlTiN涂层Al-TEC IC908、Al-TEC IC900、Al-TEC IC903、Al-TEC IC910,特别适合绿色切削。

  近两年来,ISCAR又采用超薄TiN和TiAlN对刀具进行交替涂覆,所涂覆的刀具具有粘附力强,耐热性高和抗磨损性好等特性,聚集了TiN、TiAlN以及TiNC等涂层的优点,然后再用涂层后处理技术SUMO-TEC,进一步提高韧性和耐磨性,降低表面摩擦系数,使得切削区域温度更低,抗崩刃性及抗积屑瘤性更佳,从而在加工绝大多数被加工材料时均能获得更可靠持久的刀具寿命,刀片耐用度增加了20%~280%。这就是新的材质等级IC808、IC807、IC830、IC380、IC5005、IC5010和IC8080等等,这都为绿色切削提供了更多更好的刀具材质。

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