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刀具创新对提高金属切削效率的作用与影响2

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:37:39

3.6 陶瓷刀具
陶瓷刀具具有天然的稳定性，并且在高温下更高的切削速度下比硬质合金刀具更坚硬也更易碎，因此，对该类刀具的开发重点是提高其断裂韧性。陶瓷刀具主要有Al2O3陶瓷和Si3N4/Sialon 陶瓷两种。
1Al2O3陶瓷
通常白色的、含少量ZrO2的Al2O3基陶瓷用于加工铸铁件，而ZrO2含量更高的Al2O3基陶瓷用于加工钢件。通过强韧化机理，ZrO2增强了工具的断裂韧性，但它降低了工具的热导率和硬度。而TiC含量高达30%的黑陶瓷与白陶瓷相比，其韧性和硬度都更好，被应用于加工更硬的铁、钢、镍基合金。韧性和抗磨损性兼备的细颗粒Al2O3-TiCN黑陶瓷在铸铁、铁合金、硬度高达60HRC的不锈钢的车削和钻削精加工中取代了Al2O3-TiC陶瓷刀具。PVD TiN进一步提高了这些刀具的抗磨损性。开发于80年代初、带有SiC晶须增强物的Al2O3陶瓷因SiC晶须分散的晶胞所导致的裂纹偏转而比黑、白陶瓷具有更好的韧性。由于具有更高的热传导率和较低的热膨胀率，这些晶须同时也提高了材料的硬度和抗热冲击能力。这些刀具材料适用于镍基合金和铸铁的高速/高进给加工，但因SiC的化学稳定性较差而不宜用于钢铁加工。
2Si3N4/Sialon
Si3N4/Sialon陶瓷刀具材料开发于80年代早期。由于具有类晶须的晶粒构造，该类陶瓷比白色的Al2O3陶瓷具有更强的韧性。同时，它们具有出色的热硬性和抗热冲击能力，使它们能进行高速高进给加工并可用于镍基合金和铸铁的断续切削。但它们较低的化学稳定性使其在加工钢件时缺乏优势。最近开发的CVD Al2O3涂层Si3N4陶瓷刀具可用于球墨铸铁的高速加工。
3AlON陶瓷
最近，一种以氮氧化铝AlON为基体的新型陶瓷刀具已经面市。在这种材料中，碳化硅晶须使氮氧化铝陶瓷基体得到加强。对于传统的高温合金精加工而言，这款刀具材料具有强韧性、抗磨损性和抗热冲击性三者的完美结合。与碳化硅晶须增强铝基陶瓷相比，经碳化硅晶须增强的氮氧化铝陶瓷已被证明可以提高对缺口磨损的抵抗力。
3.7 超硬刀具材料
1PCBN刀具
PCBN极高的硬度约5000HV以及抗磨损性能使它成为加工淬硬铸铁和淬硬钢硬度>50HRC的理想工具。PCBN分为CBN含量低<75%或CBN含量高>75%两类，并采用陶瓷或金属结合剂。随着CBN含量的增加，材料的热传导率、断裂韧性和抗磨损性都随之增加。CBN含量较少的刀具通常被用于连续切削，而CBN含量高的刀具在断续切削中表现出色。尽管PCBN刀具具有很高的抗磨损能力，但N和B元素在钢中的易溶性使这种刀具缺少抗化学磨损的能力。因此，先进的PCBN刀具采用CVD Al2O3或者PVD TiAlN进行涂层。尽管PCBN刀具成本昂贵比硬质合金涂层刀具高出5～30倍，但由于PCBN刀具具有高的金属切除率，因此能够提供最低的单件成本。此外，PCBN刀具较长的使用寿命也可明显减少替换刀具的时间。
用PCBN刀具加工所获得的优异的表面精度以及良好的零件尺寸公差，推进了它们在硬车削中的使用并表现出明显的生产率优势与磨削相比较。
分别对采用磨削和PCBN刀具车削一个传动装置零件所耗费的时间进行的对比表明，采用PCBN刀具进行车削加工时加工时间减少了83%，辅助时间减少了71%。
2金刚石工具
聚晶体金刚石PCD刀具广泛用于加工铝合金、非铁材料及复合材料，主要应用于自动化如制动器转子、驱动轴加工等以及航空工业如降落装置组件加工。由于金刚石在钢铁中的易溶性以及铁对金刚石石墨化的催化效应，金刚石材料不能用于钢材加工。
在20世纪90年代初期开发的一种低压CVD工艺，可用来在硬质合金基体上沉积纯金刚石薄膜<50μm或生成可钎焊在硬质合金基体上的金刚石厚膜>350μm。硬质合金基体需要经过特别的预处理以保证与金刚石薄膜的良好粘附。在高精加工应用中，金刚石厚膜刀具能提供最好的表面光洁度和最优的刀具寿命。而金刚石薄膜涂层刀具由于其多面体的表面形貌，加工表面较粗糙，但可应用于断续切削。CVD金刚石涂层刀具具有很多优势，包括用于多刃刀具的涂层、不受切削深度的限制以及可对带排屑槽的刀片进行涂层。
4．刀片几何形状的革新
针对特定的加工对刀片切削刃的几何参数进行优化设计已经取得了显著的进步。这些先进的、具有精确公差的刀片几何形状设计能确保高效排屑，降低切削阻力，并提高工件表面的质量。例如：当需要考虑尺寸控制、光洁度和零件变形最小化时，一种磨了周边的大前角的FS刀片可作为理想的精加工刀具；一种精密压制的MS刀片，其刃口经最佳的处理，可适用于不要求锋利切削刃的中等切削负荷的应用场合。另一个刀片几何形状实例专门设计用于仿形车削加工轮廓加工或向外走刀加工端面。通常用向外走刀加工零件端面时，由于普通刀片糟糕的切屑控制能力而无法缩短加工时间。与普通的DNMG刀片相比，特殊设计的DNMG-CT刀片大的切屑断裂区可用于在仿形车削中提供优良的切屑控制。
4.1 Wiper刀片
Wiper刀片是又一个提高加工生产率的刀片创新设计的实例。与传统的刀片相比，这种刀片设计了一个经过改进的刀尖圆弧半径，能获得极高的表面加工质量，可应用于半精加工和精加工。允许用户成倍提高进给率的同时可获得与传统刀片加工相媲美的表面质量；而在标准刀片通常采用的切削条件下，Wiper刀片则能获得极高的表面光洁度。
5．提高机床利用率的措施与方法
据估计，在加工过程中，只有20%的机床主轴运转时间用在实实在在的切削加工中，而其余的时间都花在了调整和空转上。旨在提高设备利用率的尝试，已经引起了大量的产品、技术、生产工艺的开发，其中包括快速换刀系统、刀具的预调、配套刀具小车以及工具管理系统：快换刀具系统显著减少了换刀和零件调整时间；通过更换预调好的切削刀具整体而不是更换某一单独的刀片，可明显减少机床的非工作时间；将一个生产过程所需要的所有刀具都配成套并放在靠近机床的工具车上，换刀过程快速而高效，可获得更多的机床运行时间。放置在刀具车中的成套刀具都经过预测和调整，并储存每把刀具的数据，以便在换刀后进行刀具偏置值调整时使用；刀具管理系统为生产中所需的刀具提供了一个方便的找刀途径，并且减少了调集刀具所需要的时间。该系统还能精确地记录刀具的利用率，并能自动发出指令更改原定的库存数量。
通过应用上述策略和方法，就有可能将有效切削时间从机床主轴运行时间的20%增加到60%。
6.对提高生产率的作用
综上所述，对各类切削刀具材料的改进和创新都使金属去除率得以显著提高。测试数据说明，生产率的提高可显著降低加工费用。
然而通过采用更高的速度和或进给获得金属去除率MRR不断提高的同时，也降低了刀具的使用寿命，加工单个零件需要耗用更多的刀片，刀具费用开始增加。需要通过最优化的MRR使单个工件的总加工成本达到最小值，而进一步降低加工成本的唯一方法是选择一种更先进的刀具材料。
7．结语
各种切削刀具材料的创新及涂层技术的进展，有利于采用更高的切削速度和进给率，从而显著提高金属切削生产率；在用某种给定的刀具材料加工时，加工成本的最小化取决于对金属去除率的优化，而要进一步节约成本，只能选择采用了更新技术的切削刀具；提高机床的利用率能减少无价值的辅助时间并增加机床有效切削时间；从先进切削刀具设计与开发的快速发展来看，刀具使用者有必要不断重新评估制造过程并且应用较新的切削刀具技术。
摘自《工具技术》作者：M.S.Greenfield美国肯纳公司材料总监，A.T.Santhanam

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