干切削刀具的合理化設(shè)計(jì)

張慶軍 ，滕育柏 ，董 暉

(大連富士工具有限公司，遼寧 大連 116021)

干切削刀具的合理化設(shè)計(jì)

張慶軍 ，滕育柏 ，董 暉

(大連富士工具有限公司，遼寧 大連 116021)

干切削加工作為綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，已越來(lái)越為機(jī)械制造企業(yè)所重視。文章在分析干切削加工因缺少冷卻液的冷卻、潤(rùn)滑和協(xié)助排屑所產(chǎn)生的切削溫度升高、刀具磨損加快等不利影響的基礎(chǔ)上，以減少刀具磨損、延長(zhǎng)刀具使用壽命、保證零件的加工精度和工件表面質(zhì)量為目的，從刀具材料選擇、刀具涂層技術(shù)以及刀具幾何形狀等方面對(duì)干切削刀具的合理化設(shè)計(jì)予以重點(diǎn)闡述，為合理設(shè)計(jì)干切削刀具提供了一定的參考。

干切削；刀具；合理化設(shè)計(jì)

0 引言

伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益突出。環(huán)保、節(jié)能、無(wú)公害的綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)成為各國(guó)政府和人民關(guān)注的熱點(diǎn)。由于清潔、環(huán)保的干切削加工能消除切削加工中因切削液大量使用而造成的負(fù)面影響，已經(jīng)成為切削加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。干切削就是在加工過(guò)程中不使用冷卻介質(zhì)的加工方法，尤其在切削加工區(qū)域完全不使用冷卻液和潤(rùn)滑油的加工工藝，因常應(yīng)用于高速切削加工場(chǎng)合，又被稱為高速干切削[2-3]。干切削既不產(chǎn)生煙霧，也不用排放油污，對(duì)大氣和水環(huán)境沒(méi)有污染，對(duì)人體健康無(wú)害，是一項(xiàng)符合環(huán)保要求的綠色加工技術(shù)，已被德國(guó)、美國(guó)和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所重視并已經(jīng)成功地應(yīng)用到生產(chǎn)領(lǐng)域。有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，歐洲工業(yè)界有10% ～15% 的加工已經(jīng)采用了干切削工藝[3]，并且取得的經(jīng)濟(jì)效益非常好。

1 干切削加工的不利影響

濕切削加工中，切削液不但具有給刀具冷卻降溫、協(xié)助排屑與斷屑的作用；而且還具有潤(rùn)滑作用，可以降低10%～30%的切削力。與濕切削相比較，干切削由于沒(méi)有切削液的潤(rùn)滑、冷卻和排屑等作用，會(huì)引起下列問(wèn)題：加工能耗增大導(dǎo)致切削溫度升高；接觸區(qū)刀具/切屑的摩擦機(jī)理發(fā)生變化，刀具和切屑之間摩擦加劇，刀具的磨損加快；切屑也因?yàn)檩^高的熱塑性變得難以折斷，切屑的收集和排出較為困難[4]；工件表面質(zhì)量和零件的加工精度不容易保證。

要使干切削達(dá)到所要求的加工質(zhì)量，必須從工件、刀具和機(jī)床各方面采取措施，消除或減輕干切削對(duì)零件加工產(chǎn)生的不利影響。

2 刀具的設(shè)計(jì)

為消除或減輕干切削加工中諸多不利因素的影響，對(duì)干切削加工刀具有更高的要求：①具有非常好的抗磨性、紅硬性；②采用適宜的涂層技術(shù)降低摩擦系數(shù)[5]；③較高的化學(xué)穩(wěn)定性；④具有非常合理的刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀[5]。

干切削刀具設(shè)計(jì)，就是要從刀具材料、刀具涂層以及刀具幾何形狀等方面對(duì)刀具進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，以減少切削力、保證切削熱的迅速散發(fā)和切屑的流暢排出，弱化干切削對(duì)刀具壽命和零件加工質(zhì)量的不利影響。

(1)刀具材料選擇

干切削的工況條件下，要求刀具材料具有優(yōu)良的高溫性能，既有良好的紅硬性和抗磨性，又具有良好的耐熱沖擊性和抗粘結(jié)性能。

圖1所示刀具材料中，氧化物陶瓷(Al2O3，Si3N4) 和金屬陶瓷(Cermet)都具有很好的紅硬性和抗磨性，可用于普通的干式切削；陶瓷刀具不但壽命長(zhǎng)，而且其最佳切削速度比普通的硬質(zhì)合金類刀具高出3～10倍，可大大提高切削效率[6]，但陶瓷刀具材料熱韌性非常不好，不可用于斷續(xù)性的干銑削加工。金剛石具有極高的硬度(天然金剛石硬度可高達(dá)HV10000)和耐磨性，以及高的導(dǎo)熱性和較低的膨脹系數(shù)，經(jīng)常用于有色金屬及其合金和一些非金屬材料的高速精密加工，是超精密加工中最主要的工具之一。但由于金剛石非常差的熱穩(wěn)定性，在切削溫度達(dá)到800℃時(shí)，就會(huì)失去其硬度，因此，金剛石不適用于加工鋼鐵類材料。立方氮化硼 (CBN)具有非常高的硬度，其硬度高達(dá) HV 3200～4000，僅次于金剛石，并具有很高的抗磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在高溫下(1200℃～1300℃)不與鐵族金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可承受1200℃以上的切削溫度，適于黑色金屬材料及合金(如：馬氏體鑄鐵、硬化軸承鋼、淬火鋼、鎳鉻合金等)的干式切削。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的韌性和耐熱性能良好，也可用作干切削加工的刀具材料，為了進(jìn)一步提高其干切削加工性能，通常會(huì)對(duì)其進(jìn)行涂層處理。

圖1 常見(jiàn)刀具材料硬度和韌性的關(guān)系

(2)刀具涂層技術(shù)

刀具涂層就是在刀具基體上涂一層或多層性能更為優(yōu)異的特殊材料來(lái)改進(jìn)和提高刀具的使用性能，是提高刀具切削性能的主要手段之一[7]。刀具涂層的作用主要包括以下四點(diǎn)：①增強(qiáng)刀具的耐磨性、提高刀具硬度；②減小刀具和工件之間的摩擦系數(shù)，降低加工時(shí)的切削力，改善工件表面質(zhì)量；③類似于濕切削中的切削液，可以把切削熱與刀具隔離開(kāi)來(lái)，以使刀刃的堅(jiān)硬和鋒利能夠長(zhǎng)時(shí)間保持；④保護(hù)刀具材料在干切削高溫狀況下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

涂層刀具通常分為硬涂層刀具和軟涂層刀具兩大類[8-9]。硬涂層具有高的硬度和抗磨性，目前使用較多的刀具硬涂層主要有TiN 、TiC、TiCN、TiAlN、Al2O3等及其組合[10-12]，其作用是提高刀具硬度、增強(qiáng)刀具抗磨性。其中，TiN 涂層刀具則具有理想的抗月牙洼功能，TiC 涂層刀具具有很強(qiáng)的抗后刀面磨損能力。軟涂層具有低的摩擦系數(shù)和剪切強(qiáng)度，如WS2、MoS等涂層，其作用是減少工件、切屑和刀具之間的摩擦系數(shù)，降低切削溫度和切削力并使切屑易流出，進(jìn)而提高刀具的耐用度。刀具涂層還可先在刀具上涂覆“硬涂層”，再在上面涂“軟涂層”形成多涂層刀具，即采用軟/硬涂層組合，使得涂層刀具既有高硬度、高抗磨性，又有摩擦小、切屑易流出的特點(diǎn)。金剛石或類金剛石涂層兼具硬涂層高硬度、高耐磨和軟涂層低摩擦系數(shù)的特點(diǎn)，其摩擦系數(shù)只有鋼的 1/6～1/12[13]，可以有效地降低加工的切削力，提高刀具的使用壽命。

(3)刀具幾何形狀

刀具結(jié)構(gòu)和形狀參數(shù)的優(yōu)化，可以延長(zhǎng)刀具使用壽命和提高加工精度，這也是推動(dòng)干式切削技術(shù)發(fā)展的重要手段之一。設(shè)計(jì)干切削刀具時(shí)，要堅(jiān)持如下原則：①在保證刀具強(qiáng)度前提下盡可能降低切削力；②刀具型槽設(shè)計(jì)盡可能改善斷屑狀況，并保證排屑流暢；③采取必要的散熱手段，保證刀具具有足夠的散熱能力；④保證干切削具有良好的加工精度和表面質(zhì)量。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常采用大正前角設(shè)計(jì)降低刀具的切削力，保證加工精度并延長(zhǎng)刀具使用壽命。例如日本三菱綜合材料公司的SR形斷屑槽刀片的前角達(dá) 30°。但大正前角設(shè)計(jì)會(huì)降低刀刃的強(qiáng)度，應(yīng)配以適宜的負(fù)倒棱或前刀面加強(qiáng)單元，以使刀刃有足夠體積的材料承受切削熱和切削力，使刀尖和刃口可在較長(zhǎng)的切削時(shí)間里保持足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證刀具的使用壽命。

刀具排屑問(wèn)題一直是設(shè)計(jì)者非常關(guān)心的問(wèn)題。日本三菱綜合材料公司的WSTAR鉆頭具有流暢的排屑槽形和波浪切削刃，在切削軟硬材料時(shí)都有優(yōu)異的表現(xiàn)。為了提高鉆頭的排屑能力，將槽外側(cè)做成小圓弧，在切削時(shí)能使切屑迅速形成小塊卷曲切屑，而將中心部做成大圓弧是有助于順利排出切屑。波浪切削刃既能保持刃口的鋒利性又能減少能量損耗；而靠近橫刃的凸形弧能進(jìn)一步增強(qiáng)鉆頭頂尖部的剛性。而頂部向心性外形設(shè)計(jì)的端刃，因頂端上的小頂角與X型橫刃有著自動(dòng)定心性功能和互補(bǔ)修磨效果，有助于降低徑向的跳動(dòng)，能更加有效地保證零件的加工精度。

立銑刀采用不等分刀槽設(shè)計(jì)和變螺旋角設(shè)計(jì)，可以減小精密切削中的振動(dòng)，提高表面加工質(zhì)量[14]；而具有自冷卻能力的熱管式車刀則是提高刀具散熱能力的典型設(shè)計(jì)，如圖2所示。該車刀結(jié)構(gòu)與普通車刀外形相同，所不同的是在刀桿體內(nèi)制成了熱管。熱管一般以蒸餾水、乙醇和丙酮作為工作介質(zhì)，利用沸騰吸熱和冷凝放熱機(jī)理對(duì)車刀進(jìn)行傳熱和散熱，是一種高效的傳熱元件，其熱導(dǎo)率是銀、銅棒的幾百倍。

圖2 熱管式車刀結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

作為未來(lái)切削加工的一個(gè)發(fā)展方向，干切削技術(shù)在我國(guó)尚處于起步階段，但是不斷增強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)為研究推廣干切削技術(shù)提供了十分有利的條件。高速干切削以其高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，正逐漸成為金屬切削加工的主流[5]。與之密切相關(guān)的干切削刀具的設(shè)計(jì)和加工，將具有非常廣闊的發(fā)展前景。

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(編輯 李秀敏)

Optimized Design of Dry Cutting Tool

ZHANG Qing-Jun，TENG Yu-Bai，DONG Hui

(Dalian Fuji Tooling Co., Ltd,Dalian Liaoning 116021, China)

As a key technique of green manufacture, dry cutting has been paid close attention by more and more machinery manufacturing enterprises. Due to lacking of coolant liquid, dry cutting has some disadvantages unavoidably. Such as high cutting temperature from poor cooling, lubricating and assistance of chip removal, serious tool wear. In this paper, based on the analyses of bad effects, tool materials selection, tool coating techniques and tool geometry optimization for dry cutting are elaborated so as to reducing tool wear, lengthening tool life, guaranteeing process quality and surface quality of work pieces. It aims to provide references for optimization of dry cutting tool design.

dry cutting; tool; optimization design

1001-2265(2014)05-0135-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.036

2014-03-01；

2014-03-14

張慶軍(1970—)，男，內(nèi)蒙林西人，大連富士工具有限公司工程師，工程碩士，主要從事非標(biāo)刀具設(shè)計(jì)和制作等；通訊作者：董暉(1971—)，男，遼寧大連人，大連富士工具有限公司工程師，主要從事非標(biāo)刀具設(shè)計(jì)和制作等， (E-mail)dfg023@dfg.com.cn。

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