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金屬切削工具發(fā)展應(yīng)用概覽

 1 刀具的發(fā)展歷史簡述

      刀具的出現(xiàn)和發(fā)展在人類歷史上有著重要的地位， 公元前28 世紀(jì)～20 世紀(jì)， 我國就已出現(xiàn)銅質(zhì)刀具。戰(zhàn)國后期出現(xiàn)了滲碳技術(shù)， 制成了銅質(zhì)刀具， 其中尤以秦國青銅長劍為代表。隨后我國陸續(xù)出現(xiàn)了鐵質(zhì)， 乃至鋼制的刀具， 但是由于這些刀具的制造多由工人手工完成， 所以刀具發(fā)展緩慢。隨著蒸汽機(jī)時代的到來， 1783 年~1864 年歐洲出現(xiàn)銑刀、絲錐、板牙和麻花鉆。當(dāng)時的刀具是用整體高碳工具鋼制造的， 切削速度約為5m/min； 1868 年， 含鎢合金工具鋼（穆舍特·英） 切削速度提高到約8m/min； 1898 年，高速工具鋼（泰勒、懷特·美） 切削速度提高兩倍以上； 1923 年， 硬質(zhì)合金（施勒特爾·德） 其切削速度又比高速鋼切削提高兩倍以上， 切削加工出的工件表面質(zhì)量和尺寸精度也大大提高；1969 年， 瑞典山特維克鋼廠獲得用化學(xué)氣相沉積法（CVD） 生產(chǎn)碳化鈦涂層硬質(zhì)合金刀片的專利。1972 年， 美國的邦沙和拉古蘭發(fā)明了物理氣相沉積法， 在硬質(zhì)合金或高速鋼刀具表面涂覆碳化鈦TiC 或氮化鈦TiN 硬質(zhì)層， 由此開啟了CVD 的時代。

 2 刀具的發(fā)展方向估測

      21 世紀(jì)的社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向著循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)、高效持續(xù)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的方向轉(zhuǎn)變。對機(jī)械加工提出更高的要求， 也就意味著加工機(jī)器、加工工具也將迅速走向高智能化、高精度化、高效率化， 以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)省能源、實現(xiàn)效率最大化的要求。

       高速切削、干切削以其高效、節(jié)能、環(huán)保的特點， 將逐漸成為金屬切削加工的主流。在實際生產(chǎn)過程中，  隨著切削加工的自動化水平和加工精度的增加， 要求刀具在高溫、高壓、高速以及在腐蝕性的流體中工作，  對刀具的硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性、耐熱性等提出了新的苛刻的要求。各種新技術(shù)隨之而誕生，  主要體現(xiàn)在發(fā)展應(yīng)用新的刀具材料、開發(fā)刀具的氣相沉積涂層技術(shù)、在高韌性高強(qiáng)度的基體上沉積更高硬度的涂層（大幅提高刀具材料硬度與強(qiáng)度）、改良刀具的結(jié)構(gòu)、提高刀具的制造精度、減小生產(chǎn)誤差、使刀具的使用實現(xiàn)效率最大化等方面。

3 刀具材料現(xiàn)狀

      （1） 現(xiàn)代刀具要求

       由于刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，  所以在切削過程中刀具切削部分要承受較大的切削力、沖擊力和振動。同時在切削的過程中會產(chǎn)生劇烈的摩擦， 帶來大量的切削熱，  故金屬切削工藝對刀具材料的硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性、耐熱性提出了較高的要求。常用的刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金（鎢鈷類、鎢鈦類）、陶瓷材料、立方氮化硼、人造金剛石等。高速鋼和硬質(zhì)合金因其具有優(yōu)良的性能而在實際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

      （2） 高速鋼

      高速鋼按用途和性能可分為高性能高速鋼和通用高速鋼， 它是一種以鎢、鉬、鉻、釩， 有時還有鈷為主要合金元素的高碳高合金萊氏體鋼，WC=0.70%～1.25%， 其主要特點為紅硬性高。它在高速切削產(chǎn)生高熱情況下（約500℃） 仍能保持較高的硬度， HRC≥60， 彌補(bǔ)了碳素工具鋼的致命缺點。高速鋼因其具有良好的機(jī)械綜合性能而得以廣泛的應(yīng)用， 常被用來做精車刀、銑刀、鉸刀、拉刀、麻花鉆， 經(jīng)熱處理后的使用硬度可達(dá)HRC63 以上。但是近年來在發(fā)達(dá)國家中高速鋼的產(chǎn)量卻在逐年減少， 大有被硬質(zhì)合金取代之勢。

      （3） 硬質(zhì)合金

      硬質(zhì)合金是使用最廣泛的一類高速加工（HSM） 刀具材料， 由硬質(zhì)碳化物（通常為碳化鎢WC、TiC 等） 微米級粉末顆粒和質(zhì)地較軟的金屬結(jié)合劑（Co） 通過粉末冶金工藝生產(chǎn)的ⅣB、ⅤB、ⅥB 族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等，由于硬度和熔點特別高， 統(tǒng)稱為硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金常溫下硬度高（86HRA~93HRA， 相當(dāng)于69HRC~81HRC）， 熱硬性強(qiáng)于高速鋼（可達(dá)900℃~1000℃， 保持60HRC）， 切削速度可達(dá)220m/min~300m/min。硬質(zhì)合金通常分為： 切削鑄鐵的鎢鈷系列（K 類， YG 類）、切削鋼材的鎢鈦鈷系列（P 類， YT 類）， 還有通用系列（M類， YW 類）。新型硬質(zhì)合金有六類： 添加TaC和NbC 的硬質(zhì)合金、細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、TiC 基和Ti （C， N） 基硬質(zhì)合金、添加稀土元素（Ce、Y） 硬質(zhì)合金、表面涂層硬質(zhì)合金（CVD 化學(xué)氣相沉積技術(shù)、PVD 物理氣相沉積）及梯度硬質(zhì)合金。由于涂層技術(shù)的發(fā)展， 以硬質(zhì)合金為基體的涂層刀具得到巨大的發(fā)展， 尤其是超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金在粒細(xì)化后可提高合金的硬度和耐磨性， 適當(dāng)增加鈷含量后還可以提高抗彎強(qiáng)度。硬質(zhì)合金在發(fā)達(dá)國家的市場比重近70%，呈現(xiàn)出代替高速鋼的趨勢。

      （4） 超硬刀具材料

      超硬材料是指金剛石和立方氮化硼（CBN）， 金剛石莫氏硬度可達(dá)到10 級， 金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)， CBN 的硬度僅次于金剛石， 莫氏硬度9 級。超硬合金多以薄膜覆蓋基體（CVD）， 金剛石刀具能對有色金屬實行超精密切削， 對硬脆材料在切削加工上有著巨大的優(yōu)勢。

 4 涂層技術(shù)現(xiàn)況及發(fā)展

      刀具表面涂層技術(shù)是應(yīng)市場需求發(fā)展起來的一種優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)， 把基體的高強(qiáng)度和韌性與表層的高硬度和耐磨性結(jié)合起來， 從而使切削刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能， 并具有更好的切削效果。

      （1） 超硬涂層

      一些過渡金屬氮化物、碳化物、硼化物以及它們的多元復(fù)合化合物， 有的具有相當(dāng)高的硬度， 這些材料都可以開發(fā)出來并應(yīng)用于涂層刀具， 將會使涂層刀具的性能有新的突破。金剛石晶體是立方晶系， 屬Fd3m 空間群。利用熱絲法， 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）， 包括微波（ PCVD） 、電子回旋共振（ ECR -PCVD）、直流和射頻（PCVD） 等方法， 以及直流和高頻電弧放電熱等離子體法， 實現(xiàn)抑制石墨相， 促進(jìn)金剛石相生長， 在硬質(zhì)合金刀具表面沉積金剛石薄膜。CBN 薄膜中BN 有三種異構(gòu)體，而其中的BN 和CBN 中， B、N 原子都要被形成四配位結(jié)構(gòu)， 它們都是超硬材料， 硬度和導(dǎo)熱率方面僅次于金剛石， 熱穩(wěn)定性極好。用高溫高壓方法得到的CBN 是顆粒狀晶體， 最高顯微硬度可達(dá)84.3GPa， CBN 薄膜的最高顯微硬度為61.8GPa， 其綜合性能并不亞于金剛石薄膜。但其生產(chǎn)中依然有著需要克服的難題（反應(yīng)機(jī)制、成膜過程、設(shè)備開發(fā)、工藝環(huán)境等）。

      （2） 超硬涂層優(yōu)勢和加工要求

      超硬涂層的刀具由于膜層超硬化合物的硬度高、熔點高及熱化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良， 其磨損量小。納米技術(shù)的運(yùn)用， 使其強(qiáng)度更高， 并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度， 其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。涂層刀片擁有普通刀具1.5倍~3 倍壽命， 它的干式銑削比濕式銑削更穩(wěn)定。從目前市場的反應(yīng)來看， 涂層成分向多元化發(fā)展是大勢所趨， 涂層成分將復(fù)雜化并更具針對性。每單層成分瘦身、納米化， 使涂層溫度降低， 預(yù)計PVD、MT-CVD 工藝將會成為主流。優(yōu)質(zhì)涂層的獲取對鍍膜條件、工藝參數(shù)、鍍前基體預(yù)處理有著嚴(yán)格的要求。刀具表面的狀態(tài)影響著涂層的附著力，  所以在被鍍工件鍍膜前需檢查其表面有無其他膜層、燒斑、銹斑、油污等。此外， 工件要經(jīng)過嚴(yán)格的噴砂和去油清洗， 當(dāng)使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD） 制取金剛石涂層前， 還要對被鍍工件進(jìn)行離子轟擊清洗。同時涂層刀具對刀具幾何形狀提出了新的要求。刀具幾何形狀的改進(jìn)， 如前角、排屑空間等， 應(yīng)集中在排屑能力上， 以適應(yīng)在更高的進(jìn)給量和更高的速度下切削量的增加。

 5 干切技術(shù)的應(yīng)用

      （1） 切削液的應(yīng)用及問題

       為了達(dá)到潤滑、冷卻、排除切屑的目的， 現(xiàn)代金屬切削加工中通常使用切削液， 在提高零件表面加工質(zhì)量， 提高刀具壽命，  提高效率方面起到了重要作用。切削液作為金屬加工的重要配套材料可分為油基切削液、半合成切削液以及合成切削液。雖然切削液在現(xiàn)代金屬切削加工中有著種種益處，  但是在實際使用過程中也存在著不可忽視的問題。

      1） 切削液的腐蝕問題。由于切削液的pH 值過高或過低， 會對加工零件表面產(chǎn)生腐蝕， 影響表面加工精度。所以應(yīng)根據(jù)金屬材料選擇合適pH值的切削液， 并避免不相似的材料接觸， 還要使用防銹液， 控制細(xì)菌的數(shù)量， 避免細(xì)菌的產(chǎn)生。

      2） 切削液的變質(zhì)問題。由于生產(chǎn)環(huán)境或者加工環(huán)境， 會有大量厭氧菌和耗氧菌混入切削液中，

導(dǎo)致其變黑發(fā)臭， 并釋放出SO2， 具有臭雞蛋味。為避免切削液的變質(zhì)， 需要較精確的配比濃度及高純度原料， 將切削液pH 值保持在8.3~9.2 之間。

      3） 切削液的泡沫問題。在金屬切削加工過程中， 因為切削液流速過快、液面太低或噴管角度太直， 都會導(dǎo)致產(chǎn)生大量泡沫沉積， 這些都需要對切削液流速、液面和噴管角度加以控制。

      4） 工人健康問題。刀具的切削部分是在較大的切削力及較高的切削溫度和劇烈的摩擦下進(jìn)行的， 許多高速加工工序中加入的切削液會在高溫下蒸發(fā)成煙霧。這些切削液不僅對環(huán)境造成了巨大的污染， 更對操作人員的身體健康帶來危害。切削液的pH 值過高還會引起操作者皮膚過敏。

      5） 零件的生產(chǎn)成本大幅度提高。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明， 在零件加工總成本中， 切削液費(fèi)用約占16%， 而刀具費(fèi)用只占總成本的4%。

      （2） 干切技術(shù)

      切削液在加工生產(chǎn)中的成本比重從幾十年前的不到3%上升到16%， 基于經(jīng)濟(jì)以及上述原因的考慮， 切削液已不得不引起生產(chǎn)經(jīng)營者的注意。近年來興起的干切技術(shù)實現(xiàn)了綠色制造， 保證了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益最優(yōu)化。

       干切削加工技術(shù)是一種加工過程不用或微量使用切削液的加工技術(shù)， 是一種對環(huán)境污染源頭進(jìn)行控制，  清潔環(huán)保的制造工藝。各種超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、耐高溫材料以及涂層技術(shù)的發(fā)展，  為干切技術(shù)提供了有利前提。微量潤滑系統(tǒng)簡單地說就是精密控制油量的噴油裝置，  是將壓縮空氣與極微量的潤滑液混合氣化后噴射到工作區(qū)。微量潤滑裝置高效應(yīng)用在各種心小孔孔加工標(biāo)準(zhǔn)刀具中，  使得準(zhǔn)干切技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。更有學(xué)者將準(zhǔn)干切技術(shù)歸為廣義的干切技術(shù)， 即為干凈、高效、環(huán)保的技術(shù)。

      干切技術(shù)的出現(xiàn)對刀具提出了更高的要求：

      1） 具有優(yōu)良紅硬性耐磨性。干切由于缺少冷卻液， 其切削溫度比濕切削時高得多， 紅硬性

高的刀具材料才能有效地承受切削過程高溫， 保持加工精度。

      2） 較低摩擦系數(shù)。一定程度上可替代切削液潤滑作用， 抑制切削溫度上升。也可采用涂層技術(shù)降低摩擦系數(shù)。

      3） 較高熱化學(xué)穩(wěn)定性。干切削高溫下， 刀具仍然保持較高化學(xué)穩(wěn)定性， 降低高溫對化學(xué)反應(yīng)催化作用， 從而延長刀具壽命。

      4） 具有合理刀具結(jié)構(gòu)幾何角度。合理刀具結(jié)構(gòu)幾何角度， 不但可以降低切削力， 抑制積屑瘤產(chǎn)生， 降低切削溫度， 而且還有斷屑控制切屑流向功能。刀具形狀保證了排屑順暢， 易于散熱。

      目前， 干切削刀具的主要材料有超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、聚晶金剛石、立方氮化硼、SiC 晶須增韌陶瓷及納米晶粒陶瓷等。

       隨著刀具材料的迅速發(fā)展， 新的硬質(zhì)合金牌號特別是有些涂層牌號， 在高速、高溫的情況下可以不用切削液，  加工工件的溫度會成倍增加。但是由于溫度分布均勻， 夾具和機(jī)床溫度很低，從而保證了工序的質(zhì)量， 提高了切削效率。對于間斷切削， 切削區(qū)溫度越高，  越不適合用切削液。除此之外， 選擇正確的機(jī)床和恰當(dāng)?shù)难b備是非常重要的， 因為速度快、溫度高、材料硬，  所以需要保證機(jī)床剛性足、馬力大。福特汽車廠從2000 年起， 就擬將離合器殼體和變速箱的加工由濕加工逐步轉(zhuǎn)為干切削。從日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家的工業(yè)生產(chǎn)線來看， 干切技術(shù)的應(yīng)用將成為發(fā)展主流之一。