干切削与不同涂层材料切削刀具的选择

一，干切削是铣削的发展方向

二十年前，切削液非常便宜，大多数加工工艺的成本不到 3%。没有人太关注这一点。然而，现在不同了。切削液在车间生产成本中的比重上升到15%，不得不引起生产经营者的高度重视。

尤其是那些油性切削液，成了一笔不小的开支。更重要的是其排放物污染环境，国外环保机构应对这些混合制剂的处理进行监控。而且，许多国家和地区也将其列为危险废物，如果含有油类和某些合金，则必须采取更严格的控制措施。

此外，许多高速加工过程会添加切削液以产生烟雾。环保部门还限制排放的切削液烟雾量。职业安全和员工健康管理部门正在考虑咨询委员会的建议。这包括为切削液制定相对较高的价格政策。因此，越来越多的制造商开始使用干切削来避免这种费用和与切削液处理相关的麻烦。

过去，金属加工业已经形成了使用切削液的“习惯”，所以推广干切削的主要障碍就是这种习惯力。他们认为切削液是获得良好加工表面和提高刀具寿命所必需的。也有很多人认为，湿切割到干切割会更贵。事实上，这两种观点都是错误的。对于大多数质量加工来说，干切削应该是“标准加工环境”。对硬化材料进行高速干式车削和干式铣削不仅可行，而且更经济。

关键是要知道如何选择合适的刀具、机器和切割方法。虽然在某些情况下仍然需要切削液，但研究表明，由于当今刀具材料的巨大发展，情况在不断变化。新的硬质合金牌号，尤其是那些涂层牌号，在高速和高温下不需要切削液，具有更高的切削效率。事实上，对于断续切削，切削区温度越高，就越不适合使用切削液。

在铣削情况下，如果切削液能克服高速旋转立铣刀产生的离心力，那么它在到达切削区之前就已经蒸发了，其冷却效果很小。但是，切削液刀具的应用会引起温度的剧烈变化。立铣刀刃槽从工件切出时会冷却，切入时温度又会升高。虽然干切削时也有类似的加热和冷却回路，但加入切削液后温度变化要大得多。温度的快速变化会在立铣刀中产生应力，从而导致裂纹。

类似的情况也发生在车削中。例如，对于无涂层硬质合金，当车速高于 130m/min 时，车削中碳钢，切削刃切入工件不到 40 秒，然后暴露在冷却液中，它会因热冲击而损坏清楚地显示。这种热冲击会加速月牙洼磨损和随后的磨损，从而大大缩短刀具寿命。对于大多数车削操作，干切削通常会增加刀具寿命。

然而，这是钻孔的另一种情况。钻孔时需要切削液，因为它提供润滑并从孔中冲洗切屑。如果没有切削液，切屑可能会粘在孔中，平均表面粗糙度（Ra）可能是湿式钻孔的两倍。在这种情况下，切削液还会降低所需的机器扭矩，因为钻头边缘与孔壁接触的点得到了润滑。

虽然涂层钻头也可以提供类似于切削液的润滑效果，但涂层也可以降低切削力并最大限度地减少摩擦阻力。从整体效果来看，目前还不能完全替代切削液。使用哪种切削液要视具体情况而定。润滑切削液用于难加工材料和更高表面粗糙度要求的低速加工。

具有高冷却能力的切削液可增强易切削材料的高速加工性能，可用于易产生崩刃或尺寸公差要求严格的场合。

然而，使用切削液来达到一定的效果，却需要很高的附加成本，同时也带来非常有害的环境污染，不值得。应该看到，现代刀具可以承受更高的切削热，并具有高速切削所需的性能。如有必要，可使用压缩空气将切削区的热切屑吹走，以替代切削液。

二，干切削刀具材料的选择

1. 高速干切削的最佳涂层是TiaLN。

今天，通常不再需要切削液的重要原因是涂层。它们通过抑制从切削区域到切削刀具的热传递来减轻温度的影响。涂层就像一个热障，因为它的导热性比工具底座和工件材料低得多。因此，这些刀具吸收的热量较少，并且可以承受较高的切削温度。无论是车削还是铣削，涂层刀具都可以在不降低刀具寿命的情况下实现更高效的切削参数。

涂层厚度在 2 到 18 μm 之间，它对刀具性能起着重要作用。与较厚的涂层相比，较薄的涂层更能抵抗冲击切割过程中的温度变化，因为较薄的涂层具有较小的应力且不易开裂。在快速冷却和加热过程中，厚涂层很容易破裂，就像玻璃加热和冷却非常快一样。使用薄涂层刀片进行干切削可以将刀具寿命延长多达 40%，这就是物理涂层通常用于涂覆圆形刀具和铣削刀片的原因。PVD 涂层往往比化学涂层更薄，并且与轮廓的结合力更强。此外，PVD 涂层可以在低得多的温度下沉积在硬质合金上，因此它们通常用于非常锋利的切削刃和大正前角铣刀和车刀。

虽然涂层材料是 TiN，但它占所有涂层刀具的 80%。但是，在高速干切削的情况下，最好的 PVD 涂层是 TiAlN，它在连续高温切削（例如高速车削）中的性能是 TiN 的四倍。在高热应力条件下，TiAlN 涂层的性能也优于工具的其他涂层。如切削液难以到达的小直径孔的干式铣削和深孔钻削。

TiAlN 在切削温度下比 TiN 硬，并且具有热稳定性。PVD 涂层利用了其耐化学磨损性。其硬度高达 3500 度维氏，工作温度高达 1470°F（800°C）。材料科学家推测，这些特性可归因于非晶氧化铝薄膜，这些薄膜是在涂层表面的一些铝在高温下氧化后在芯片/工具界面上形成的。

本研究选择了超薄多层 PVD 涂层。这种沉积工艺产生的涂层由数百层组成，每层只有几纳米厚。普通PVD涂层的沉积物只有几微米厚的涂层。

尽管 PVD 涂层具有许多优点，但 CVD 涂层在加工大多数黑色金属时仍然更受欢迎。在CVD过程中，较高的沉积温度有助于提高结合强度，并允许基体中有较高的钴含量，使切削刃具有良好的韧性，提高抵抗塑性变形的能力。由于CVD涂层比PVD涂层更厚，因此需要在其切削刃处进行钝化以防止涂层剥落，并且还有助于提高刀具的耐磨性。允许进给率高达 0.035 英寸/转（0.9 毫米/转）。

CVD 是在工具上沉积有用的氧化铝层的过程，这是已知的最耐热和抗氧化的涂层。氧化铝是一种不良导体，它将刀具与切削变形产生的热量分开，并将热量促进到切屑。这是一种优良的CVD涂层材料，主要用于干切削中使用的硬质合金车刀。它还可以在高速切削过程中保护基体，是抵抗磨粒磨损和月牙洼磨损的最佳涂层。

涂层刀片在干式铣削中比湿式铣削具有更长的刀具寿命和更高的稳定性。更高的切削速度将进一步提高切削温度。例如，以14000转/分的切削速度和1575英寸/分钟（40m/min）的切削速度干切削铸铁，可以将刀具前方的切削区域加热到600°至700°C。金属去除速度与铣削铝相近，铸铁的温度高于常规刀具。

2、金属陶瓷、陶瓷、CBN、PCD的选用

切削速度越高，对刀具材料的耐磨性要求越高，热硬度也越高。金属陶瓷、立方氮化硼和两种适合精加工的陶瓷——氧化铝和氮化硅（现代术语“陶瓷”包括氧化铝和氮化硅，不同于过去的氧化铝），它们的应用越来越受欢迎。多晶金刚石是另一种用于干切削条件的刀具材料。在所有这些材料中，它们都具有高的热硬度和耐磨性，以及更大的脆性。

（1）金属陶瓷

它是一种先进的硬质合金。金属陶瓷可以承受比传统硬质合金更高的切削温度，但缺乏硬质合金的抗冲击性、半重加工的韧性以及低速和大进给时的强度。在小而恒定的载荷下，金属陶瓷具有与传统硬质合金相似的切削强度。但是，它在高切削速度下具有更高的温度和耐磨性，使用寿命更长，被加工工件的表面更光滑。当用于加工柔软和粘性材料时，它还具有良好的抗碎屑性和良好的表面质量。

更高的温度硬度来自于配方中添加的钛化合物。金属陶瓷是一种硬质合金。它含有硬质钛基化合物（碳化钛、碳酸钛和氮化钛），结合剂为镍或镍钼。由于金属类粘合剂的温度限制，当被加工材料的硬度超过 HRC40 时，典型的金属陶瓷等级不具有足够高的热固性。

金属陶瓷比涂层和未涂层硬质合金对断裂和进给应力更敏感。因此，它用于精度高、表面质量要求高的工件上。理想的加工工艺是切割那些连续的表面。

车削碳钢时，进给速度的上限通常为0.025英寸/转（0.635毫米/转）。通用铣削可以在高主轴转速和半进给率下进行。如果这些条件成立，金属陶瓷可以在大生产过程中长时间保持锋利的切削刃。如果以传统的切削速度和进给率使用金属陶瓷，与硬质合金切削刀具相比，它们可以提高刀具寿命和表面质量以及生产率。对于切削合金钢，增加20%。用于切割碳，50% 用于钢、不锈钢和软铁。

（2）陶瓷制品

陶瓷刀具与金属陶瓷类似，因为它们比硬质合金更稳定，并且可以在高切削速度下进行更长时间的加工。纯氧化铝可以承受很高的温度，但其强度和韧性都很低。如果工作条件不好，它很容易破裂。

为了降低陶瓷对破碎的敏感性，在试图提高其韧性和抗冲击性时，加入了氧化锆或碳化钛和氮化钛的混合物。尽管添加了这些添加剂，但陶瓷的韧性远低于硬质合金。

增加氧化铝陶瓷韧性的另一种方法是在材料中加入结晶织构或碳化硅晶须。通过这些特殊的平均值，晶须的直径只有 1 纳米，长 20 微米，而且非常坚固。韧性、强度和抗热震性。在成分上，晶须可高达 30%。

与氧化铝一样，氮化硅比硬质合金具有更高的热刚度。它还具有更好的耐高温和机械冲击性能。与氧化铝陶瓷相比，在加工钢时化学稳定性较差。但是，灰铸铁可以用氮化硅陶瓷以每分钟 1450 英尺（442 米/分钟）或更高的速度进行加工。

尽管使用陶瓷刀具进行加工可能非常高效，但应用必须是特定的。例如，陶瓷刀具不能用于加工铝，但特别适用于灰口铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和一些未淬硬钢、耐热合金。但是，对于这些材料，能否成功应用取决于切割前的刃口外观准备、机器设备的稳定性以及最佳加工参数的选择。

（3）立方氮化硼

CBN是一种高硬度材料。通常用于加工硬度高于RC48的材料。它具有优异的高温硬度——高达 2000°C，虽然它比硬质合金脆得多，但比陶瓷更差的耐热性和耐化学性。但它比陶瓷刀具具有更高的冲击强度和抗压碎性。对于切削淬硬金属，机床刚性可能稍差。此外，一些特殊的CBN刀具可以承受高速粗加工的切屑负荷、断续切削的冲击以及精加工时的磨损和切削热。

对于要求较高的零件，应适当调整设备，以增加机器和设备的刚性。钝刃应足够大，以防止刀具基体上出现微尺度剥落和一定厚度的CBN层，使刀具在高速、重负荷和剧烈的间歇负荷下工作。这些特性使 CBN 成为粗加工硬化钢和珠光体灰铸铁的首选刀具材料。

带有薄层 CBN 的刀具相对易碎，但它是加工硬化铁合金的较好刀具材料。CBN导热系数低，抗压强度高，能承受高切削速度和负前角产生的切削热。由于切削区温度较高，工件材料软化，这有助于切屑的形成。负几何角度加强刀具，稳定切削刃，提高刀具寿命，并允许在小于 0.010 英寸（0.254 毫米）的浅深度处进行加工。

在干车削硬化工件的情况下，CBN刀具可以代替磨削工艺，因为它们可以产生小于16微英寸（0.4微米）的表面质量，并且可以控制±0.0005英寸（0.0127毫米）的精度。

CBN 刀具是硬车削和高速铣削的理想选择。对于这个应用，陶瓷和CBN是重叠的。因此，有必要进行成本效益分析，以确定哪种材料将提供最佳结果。

（4）PCD刀具

作为最硬的刀具材料，聚晶金刚石是最耐磨的。它的硬度和耐磨性源于金刚石晶体之间缺乏方位键。这种不同的晶体取向排列抑制了裂纹扩展。切削时，PCD切屑与硬质合金切削相结合，可增加其强度和抗冲击性，其刀具寿命是硬质合金的100倍。

然而，某些特性限制了它在许多加工操作中的切割。一是 PCD 对黑色金属中的铁有亲和力，这会引起化学反应。这种刀具材料只能用于加工有色金属零件。二是PCD不能承受切割区超过600°C的高温，因此不能切割坚韧、高韧性的材料。

PCD刀具特别适用于加工有色金属，尤其是高硅铝合金，具有很强的磨蚀性。这些材料切削时具有锋利的切削刃和大的正前角，最大限度地减少切削压力和崩刃。

三，切削刃、刀具几何参数和排屑的增强

尽管近年来物理进步和应用发展，但由金属陶瓷、陶瓷、CBN和PCD制成的工具仍然比硬质合金脆得多，不能承受太大的压力。因此，由这些材料制成的工具必须结合设计特点，加强支撑和分散压力。

这是非常重要的。例如，为了改变磨削力的方向，使力从切削刃向内移动到刀具主体，切削刃必须进行加工——刃口准备。切削刃备有三种类型，它们的尺寸应适当：T 形刀具，加强型，T 型切削加强型。

（1）T形刀具

它是在切削刃上进行倒角窄平面磨削，以代替较弱和较锋利的切削。刀具技术人员的一项重要任务是找到能够赋予切削刃适当强度和寿命的最小平面宽度和角度；因为加强的切削刃的大宽度和角度无疑会增加切削力。

（2）加强型

就是把锋利的边缘弄圆。虽然钢筋不像T形刀具那样棱角分明，但对于用于精加工的高级切削材料，钢筋效果很好。这些硬化刀具应用于浅切深、低速进给和最小化切削压力。

（3）T形切割加固

T型封边带在采用倒角倒角的正反面加强时也可以加强。在应用中，当发生微小的剥落时（如用陶瓷刀具粗车削钢），强化可以分散这些点的压力，而不会使倒角变大，也不会强化刀具的切削刃。

除了确定最适合工件的刀具刃口外，刀具设计者还必须优化刀具的几何角度和排屑能力。增大后角减小了刀具上的切削力和压力，同时也降低了切削区的温度。使正前角尽可能大，这样可以通过更好的剪切来降低切削力。宽排屑槽有助于排屑，尤其适用于钻孔和螺纹加工。

降低切削力的替代方法是高速切削。为了提高效率，在主轴转速非常高的情况下，最好降低大进给量，而不是增加进给量。此外，今天的立铣刀比五年前精确得多，铣床和车床的机械稳定性和刚性也更高，从而消除了可能的振动。所有这些都促进了脆性、硬度和耐磨刀具材料的应用。

耐高温刀具应用的另一个有利因素是极高的切屑形成效率。例如，切削铸铁时，热量使切削区的材料变成塑性体，降低了切削区工件材料的强度。结果是与普通粗加工相比，金属去除率提高了三倍。由于进给率高，刀具对金属材料的切削速度很快，大量的热量滞留在切屑中，来不及传递给工件使其变形。虽然切削温度很高，但工件的温升很小，工件的精度高于常规切削。

低轴向力精加工还可以最大限度地减少工件、夹具和机床的静态变形。此类工艺需要使用粗齿铣刀、低进给量和高刀具速度。由于夹紧工件所需的夹紧力很小，夹具可以很简单。对于棱柱形工件，有更宽的铣刀通道。