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切削刀片基礎知識

發(fā)布時間 : 2019-04-09  浏覽次數 : 1984 次
一個一般的機加工車間每年可能(néng)要消耗數千枚切削刀片。一位操作工人可能(néng)每天都(dōu)要使用許多切削刀片,但卻從來沒(méi)有細想過(guò)在這(zhè)些刀片背後(hòu)蘊藏的複雜科學(xué)知識。了解一些有關切削刀片的制造工藝技術,對(duì)于刀具的正确使用和性能(néng)優化將(jiāng)會大有裨益。

硬質合金刀片的成(chéng)分
與所有人造制品一樣(yàng),制造切削刀片首先要解決原材料的問題,即确定刀片材料的成(chéng)分與配方。現在的大部分刀片都(dōu)是由硬質合金制成(chéng),其主要成(chéng)分爲碳化鎢(WC)和钴(Co)。WC是刀片中的硬質顆粒,而Co作爲結合劑可使刀片成(chéng)形。

改變硬質合金特性最簡單的方法就是通過(guò)改變所用WC顆粒的晶粒尺寸。用粒度較大(3-5μm)的WC顆粒制備的硬質合金材料硬度較低,比較容易磨損;用粒度較小(<1μm)的WC顆粒則可以生産出硬度較高、耐磨性較好(hǎo),但脆性也較大的硬質合金材料。在加工硬度非常高的金屬材料時,采用細晶粒硬質合金刀片可能(néng)會獲得最理想的加工效果。而另一方面(miàn),粗晶粒硬質合金刀片在斷續切削或其他對(duì)刀片韌性要求較高的加工中性能(néng)更爲優越。

控制硬質合金刀片特性的另一種(zhǒng)方法是改變WC與Co的含量比例。與WC相比,Co的硬度低得多,但韌性更好(hǎo),因此,減少Co含量將(jiāng)獲得硬度更高的刀片。當然,這(zhè)再一次提出了綜合平衡的問題——硬度更高的刀片具有更好(hǎo)的耐磨性,但其脆性也更大。根據具體的加工類型,選擇适當的WC晶粒尺寸和Co含量比,需要相關的科學(xué)知識和豐富的加工經(jīng)驗。

通過(guò)應用梯度材料技術,在一定程度上可以避免在刀片強度與韌性之間進(jìn)行妥協取舍。這(zhè)項全球主要刀具制造商均已普遍應用的技術包括,在刀片的外層采用比内層更高的Co含量比。更具體地說,就是在刀片的外層(厚度爲15-25μm)增大Co含量,以提供類似于“緩沖區”的作用,使刀片可以承受一定的沖擊而不會破裂。這(zhè)就使刀片的刀體可以獲得采用強度更高的硬質合金成(chéng)分才能(néng)實現的各種(zhǒng)優異性能(néng)。

一旦确定了原材料的粒度、成(chéng)分等技術參數,就可以開(kāi)始切削刀片的實際制造流程。首先將(jiāng)符合配比的鎢粉、碳粉和钴粉放入一個尺寸與洗衣機差不多大的碾磨機中,將(jiāng)粉料碾磨到所需要的粒度,并將(jiāng)各種(zhǒng)材料均勻混合。在碾磨過(guò)程中加入酒精和水,制備出一種(zhǒng)濃稠的黑色漿料。然後(hòu)將(jiāng)這(zhè)種(zhǒng)漿料放入一台旋風幹燥機中,將(jiāng)其中的液體蒸發(fā)以後(hòu),就獲得了團塊狀的粉料,并將(jiāng)其貯存起(qǐ)來。

在下一步制備工藝中,可以獲得刀片的雛形。首先,將(jiāng)制備好(hǎo)的粉料與聚乙二醇(PEG)混合,PEG作爲一種(zhǒng)增塑劑,可將(jiāng)粉料像面(miàn)團一樣(yàng)臨時粘結在一起(qǐ)。然後(hòu)在壓模中將(jiāng)材料壓制成(chéng)刀片的形狀。根據不同的刀片壓制方法,可以采用單軸壓機進(jìn)行壓制,也可以采用多軸壓機從不同的角度壓制出刀片形狀。

獲得壓制成(chéng)形的坯料後(hòu),將(jiāng)其置于一個大型燒結爐中,在高溫下進(jìn)行燒結。在燒結過(guò)程中,PEG從坯料混合物中被(bèi)融化排出,最後(hòu)留下硬質合金刀片的半成(chéng)品。當PEG被(bèi)融出後(hòu),刀片收縮到其最終尺寸。這(zhè)一工藝步驟需要進(jìn)行精确的數學(xué)計算,因爲根據不同的材料成(chéng)分和配比,刀片的收縮量也各不相同,而且要求將(jiāng)成(chéng)品的尺寸公差控制在幾個微米以内。

刀片塗層的制備
此時,産品的形态已經(jīng)與最終的成(chéng)品刀片相差無幾。但是,爲了獲得最佳切削性能(néng),還(hái)必須對(duì)刀片進(jìn)行表面(miàn)塗層。最常用的刀片塗層工藝是化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝,即通過(guò)高電流將(jiāng)某種(zhǒng)金屬靶材離子化,然後(hòu)通過(guò)蒸發(fā)冷凝沉積到刀片上。可以將(jiāng)這(zhè)一過(guò)程形象地比喻爲,當柏油路面(miàn)的溫度變得非常低,而空氣中又充滿高濃度的水汽時,就會在路面(miàn)上形成(chéng)一層薄冰。不過(guò),與此不同的是,雖然置于塗層爐中的刀片溫度相對(duì)較低,但實際爐溫可能(néng)超過(guò)480℃。

另一種(zhǒng)常用的刀片塗層工藝是物理氣相沉積(PVD)工藝。與CVD工藝相比,采用PVD技術可以沉積出更薄的塗層,從而可使切削刃更鋒利,在切削難加工材料(如淬硬鋼、钛合金和耐熱超級合金)時可獲得更優異的切削性能(néng)。
在典型的刀片CVD塗層工藝中,刀片上塗覆的第一層塗層爲氮碳化钛(TiCN)。這(zhè)種(zhǒng)塗層材料能(néng)提供優異的耐磨性,而且還(hái)具有易于與硬質合金基體粘結的優點。通常,氧化鋁(Al2O3)被(bèi)用作第二層塗層。這(zhè)種(zhǒng)塗層具有極佳的熱穩定性和化學(xué)穩定性,能(néng)保護刀片免受切削高溫和冷卻液中化學(xué)成(chéng)分的不利影響。

TiCN和Al2O3塗層的厚度主要取決于刀片的加工類型。例如,車削加工硬材料時,需要對(duì)刀片進(jìn)行充分保護,因此每種(zhǒng)塗層的厚度可能(néng)都(dōu)需要達到10μm。而對(duì)于軟材料的精加工,塗覆5μm厚的TiCN層和2μm厚的Al2O3層可能(néng)更爲适當。

完成(chéng)了TiCN和Al2O3塗層的制備後(hòu),切削刀片在使用功能(néng)上已接近成(chéng)品。遺憾的是, Al2O3塗層的顔色是全黑色,使用者很難分辨刀片的哪些工作面(miàn)已經(jīng)使用過(guò),以及切削刃是否已被(bèi)磨損。爲了解決這(zhè)一問題,大多數刀具制造商都(dōu)會在刀片上最後(hòu)再塗覆一層氮化钛(TiN)塗層。這(zhè)種(zhǒng)亮金色的塗層具有很好(hǎo)的可視性,使用者可以通過(guò)其顔色的變化,很容易地評估切削刀片的磨損狀态。

過(guò)去,塗覆完TiN塗層就标志著(zhe)切削刀片的制造全部完成(chéng)。但近年來,還(hái)有最後(hòu)一道(dào)工序已變得逐漸普及。在CVD或PVD塗層工序中,當刀片冷卻時,不同塗層材料的收縮程度各不相同。因此,在各層塗層中會産生應力,并出現微裂紋。爲了消除這(zhè)些應力,并最大限度地減少微裂紋,人們采用了一種(zhǒng)用酒精、氧化鋁和細砂的混合物對(duì)刀片進(jìn)行噴砂處理的先進(jìn)技術。在噴砂處理完成(chéng)後(hòu),切削刀片的制造就大功告成(chéng)了。

刀片幾何形狀的作用
一提到切削刀片的幾何形狀,大多數刀具制造商都(dōu)會馬上開(kāi)始描述刀片的宏觀幾何形狀(物理外形)。而一個近年來快速發(fā)展的研究領域——刀片切削刃微觀幾何形狀的優化——值得予以高度重視。

在宏觀水平上,刀片幾何形狀的優化主要涉及爲實現切屑控制而可能(néng)采用的最佳外形。根據不同的工件材料和加工方式,采用不同的刀片形狀和角度能(néng)夠提供斷屑和將(jiāng)切屑從切削區排出的最優結果。刀片宏觀幾何形狀的設計與優化已是一個相當成(chéng)熟的技術領域,大部分主要的刀具制造商都(dōu)精通此道(dào)。

直到最近幾年,技術的發(fā)展才達到了能(néng)夠控制刀片微觀幾何形狀的水平。利用先進(jìn)的加工技術,可以在刀片的切削表面(miàn)制備出圓形、橢圓形或帶角度的切削刃,還(hái)可以將(jiāng)微小的倒棱或溝槽引入刀片切削刃。随著(zhe)各種(zhǒng)創新技術的應用,人們能(néng)夠在微小尺度上對(duì)刀片進(jìn)行鈍化處理和測量,從而使刀片的使用壽命和加工穩定性獲得了極大提高。可以相當肯定地預期,今後(hòu)的技術進(jìn)步將(jiāng)進(jìn)一步推動該領域的發(fā)展,并將(jiāng)取得更顯著(zhe)的成(chéng)果。

陶瓷刀片技術
盡管絕大多數切削刀片都(dōu)用硬質合金制造,但用其他材料制造的刀片正日益增多。其中,陶瓷刀片可能(néng)是一種(zhǒng)最主要的非硬質合金刀片。随著(zhe)耐熱合金材料(如Inconel合金)在航空工業和其他行業零部件中的應用日趨廣泛,陶瓷刀片在對(duì)這(zhè)些難加工材料的加工中表現出了優異的切削性能(néng)。

陶瓷刀片的制造工藝與硬質合金刀片非常相似。由于陶瓷不像其他材料那樣(yàng)容易粘結,因此在燒結時必須采用高得多的溫度和壓力。

通常,在陶瓷刀片中使用碳化矽(SiC)晶須能(néng)夠增加其強度。這(zhè)些細小的纖維可以起(qǐ)到用鋼筋來強化混凝土的相同作用。過(guò)去,在陶瓷中添加SiC的強化效果相對(duì)較小,但近年來的技術突破已經(jīng)改變了這(zhè)種(zhǒng)狀況。新的工藝可使SiC晶須定向(xiàng)于特定的方向(xiàng),從而大大提高了強化效果。與其他刀片材料相比,陶瓷的脆性更大,也經(jīng)常會出現缺陷。加入正确定向(xiàng)的SiC晶須可以顯著(zhe)減緩陶瓷刀片的碎裂失效過(guò)程,因爲刀片中的微裂紋需要更大的能(néng)量,才能(néng)穿過(guò)整齊排列的晶須。随著(zhe)這(zhè)種(zhǒng)技術和其他類似技術的繼續發(fā)展,陶瓷刀片將(jiāng)成(chéng)爲一種(zhǒng)适合各種(zhǒng)加工的、更具可行性的解決方案。

從切削刀片中獲得更多收益
從購買決策的角度來看,對(duì)于切削刀片,需要牢記的、最重要的事(shì)情是不過(guò)忽略那些難以觀察到的方面(miàn)。如果不通過(guò)切削試驗,即使仔細檢查,可能(néng)也很難分辨出優質刀片與劣質刀片的差别。因爲刀片的外表都(dōu)差不多而選用廉價刀片,將(jiāng)不可避免地在以後(hòu)的加工中增加成(chéng)本。

在選擇刀片牌号時,理想的做法是咨詢刀具制造商的技術專家。除此之外,還(hái)可以利用一些基本概念,來縮小可供選擇的刀片範圍。大部分刀具制造商都(dōu)采用一種(zhǒng)可以反映刀片特性的方式來給它們編号。以山特維克可樂滿的産品爲例,一種(zhǒng)刀片牌号的第一位數反映了其所屬的大類,如4表示加工鋼的牌号,3表示加工鑄鐵的牌号,2表示加工不鏽鋼的牌号。在每個類别中,最後(hòu)兩(liǎng)位數字表示該刀片的硬度。數字小,表示硬度較高,但脆性也較大;數字大,則表示硬度較低,但韌性較好(hǎo)。爲了查找所需刀片的類别,加工車間最好(hǎo)從産品目錄的中間開(kāi)始,根據其性能(néng)向(xiàng)前或向(xiàng)後(hòu)查找。

最後(hòu),如果某種(zhǒng)刀片沒(méi)有達到最佳切削性能(néng),可以找到一些有助于确定解決方案的證據。用放大鏡仔細觀察刀片的切削刃,就可以揭示問題的實質。如果檢查表明,刀片切削刃出現了明顯的磨料磨損或微小變形,說明刀片硬度偏低,需要換用硬度更高的牌号。如果刀片發(fā)生了崩刃,切削刃出現了小塊缺失,則可能(néng)需要改用硬度較低、韌性較好(hǎo)的牌号。通過(guò)了解切削刀片是如何制造的,以及如何爲特定的加工定制不同的刀片牌号,就可以采取各種(zhǒng)具有針對(duì)性的措施,來提高加工效率和降低加工成(chéng)本。
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