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切削刀片基础知识

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一个一般的机加工车间每年可能要消耗数千枚切削刀片。一位操作工人可能每天都要使用许多切削刀片,但却从来没有细想过在这些刀片背后蕴藏的复杂科学知识。了解一些有关切削刀片的制造工艺技术,对于刀具的正确使用和性能优化将会大有裨益。


硬质合金刀片的成分


与所有人造制品一样,制造切削刀片首先要解决原材料的问题,即确定刀片材料的成分与配方。现在的大部分刀片都是由硬质合金制成,其主要成分为碳化钨(WC)和钴(Co)。WC是刀片中的硬质颗粒,而Co作为结合剂可使刀片成形。


改变硬质合金特性最简单的方法就是通过改变所用WC颗粒的晶粒尺寸。用粒度较大(3-5μm)的WC颗粒制备的硬质合金材料硬度较低,比较容易磨损;用粒度较小(<1μm)的WC颗粒则可以生产出硬度较高、耐磨性较好,但脆性也较大的硬质合金材料。在加工硬度非常高的金属材料时,采用细晶粒硬质合金刀片可能会获得最理想的加工效果。而另一方面,粗晶粒硬质合金刀片在断续切削或其他对刀片韧性要求较高的加工中性能更为优越。


控制硬质合金刀片特性的另一种方法是改变WC与Co的含量比例。与WC相比,Co的硬度低得多,但韧性更好,因此,减少Co含量将获得硬度更高的刀片。当然,这再一次提出了综合平衡的问题——硬度更高的刀片具有更好的耐磨性,但其脆性也更大。根据具体的加工类型,选择适当的WC晶粒尺寸和Co含量比,需要相关的科学知识和丰富的加工经验。


通过应用梯度材料技术,在一定程度上可以避免在刀片强度与韧性之间进行妥协取舍。这项全球主要刀具制造商均已普遍应用的技术包括,在刀片的外层采用比内层更高的Co含量比。更具体地说,就是在刀片的外层(厚度为15-25μm)增大Co含量,以提供类似于“缓冲区”的作用,使刀片可以承受一定的冲击而不会破裂。这就使刀片的刀体可以获得采用强度更高的硬质合金成分才能实现的各种优异性能。


一旦确定了原材料的粒度、成分等技术参数,就可以开始切削刀片的实际制造流程。首先将符合配比的钨粉、碳粉和钴粉放入一个尺寸与洗衣机差不多大的碾磨机中,将粉料碾磨到所需要的粒度,并将各种材料均匀混合。在碾磨过程中加入酒精和水,制备出一种浓稠的黑色浆料。然后将这种浆料放入一台旋风干燥机中,将其中的液体蒸发以后,就获得了团块状的粉料,并将其贮存起来。


在下一步制备工艺中,可以获得刀片的雏形。首先,将制备好的粉料与聚乙二醇(PEG)混合,PEG作为一种增塑剂,可将粉料像面团一样临时粘结在一起。然后在压模中将材料压制成刀片的形状。根据不同的刀片压制方法,可以采用单轴压机进行压制,也可以采用多轴压机从不同的角度压制出刀片形状。


获得压制成形的坯料后,将其置于一个大型烧结炉中,在高温下进行烧结。在烧结过程中,PEG从坯料混合物中被融化排出,最后留下硬质合金刀片的半成品。当PEG被融出后,刀片收缩到其最终尺寸。这一工艺步骤需要进行精确的数学计算,因为根据不同的材料成分和配比,刀片的收缩量也各不相同,而且要求将成品的尺寸公差控制在几个微米以内。


刀片涂层的制备


此时,产品的形态已经与最终的成品刀片相差无几。但是,为了获得最佳切削性能,还必须对刀片进行表面涂层。最常用的刀片涂层工艺是化学气相沉积(CVD)工艺,即通过高电流将某种金属靶材离子化,然后通过蒸发冷凝沉积到刀片上。可以将这一过程形象地比喻为,当柏油路面的温度变得非常低,而空气中又充满高浓度的水汽时,就会在路面上形成一层薄冰。不过,与此不同的是,虽然置于涂层炉中的刀片温度相对较低,但实际炉温可能超过480℃。


另一种常用的刀片涂层工艺是物理气相沉积(PVD)工艺。与CVD工艺相比,采用PVD技术可以沉积出更薄的涂层,从而可使切削刃更锋利,在切削难加工材料(如淬硬钢、钛合金和耐热超级合金)时可获得更优异的切削性能。


在典型的刀片CVD涂层工艺中,刀片上涂覆的第一层涂层为氮碳化钛(TiCN)。这种涂层材料能提供优异的耐磨性,而且还具有易于与硬质合金基体粘结的优点。通常,氧化铝(Al2O3)被用作第二层涂层。这种涂层具有极佳的热稳定性和化学稳定性,能保护刀片免受切削高温和冷却液中化学成分的不利影响。


TiCN和Al2O3涂层的厚度主要取决于刀片的加工类型。例如,车削加工硬材料时,需要对刀片进行充分保护,因此每种涂层的厚度可能都需要达到10μm。而对于软材料的精加工,涂覆5μm厚的TiCN层和2μm厚的Al2O3层可能更为适当。


完成了TiCN和Al2O3涂层的制备后,切削刀片在使用功能上已接近成品。遗憾的是, Al2O3涂层的颜色是全黑色,使用者很难分辨刀片的哪些工作面已经使用过,以及切削刃是否已被磨损。为了解决这一问题,大多数刀具制造商都会在刀片上最后再涂覆一层氮化钛(TiN)涂层。这种亮金色的涂层具有很好的可视性,使用者可以通过其颜色的变化,很容易地评估切削刀片的磨损状态。


过去,涂覆完TiN涂层就标志着切削刀片的制造全部完成。但近年来,还有最后一道工序已变得逐渐普及。在CVD或PVD涂层工序中,当刀片冷却时,不同涂层材料的收缩程度各不相同。因此,在各层涂层中会产生应力,并出现微裂纹。为了消除这些应力,并最大限度地减少微裂纹,人们采用了一种用酒精、氧化铝和细砂的混合物对刀片进行喷砂处理的先进技术。在喷砂处理完成后,切削刀片的制造就大功告成了。


刀片几何形状的作用


一提到切削刀片的几何形状,大多数刀具制造商都会马上开始描述刀片的宏观几何形状(物理外形)。而一个近年来快速发展的研究领域——刀片切削刃微观几何形状的优化——值得予以高度重视。


在宏观水平上,刀片几何形状的优化主要涉及为实现切屑控制而可能采用的最佳外形。根据不同的工件材料和加工方式,采用不同的刀片形状和角度能够提供断屑和将切屑从切削区排出的最优结果。刀片宏观几何形状的设计与优化已是一个相当成熟的技术领域,大部分主要的刀具制造商都精通此道。


直到最近几年,技术的发展才达到了能够控制刀片微观几何形状的水平。利用先进的加工技术,可以在刀片的切削表面制备出圆形、椭圆形或带角度的切削刃,还可以将微小的倒棱或沟槽引入刀片切削刃。随着各种创新技术的应用,人们能够在微小尺度上对刀片进行钝化处理和测量,从而使刀片的使用寿命和加工稳定性获得了极大提高。可以相当肯定地预期,今后的技术进步将进一步推动该领域的发展,并将取得更显着的成果。


陶瓷刀片技术


尽管绝大多数切削刀片都用硬质合金制造,但用其他材料制造的刀片正日益增多。其中,陶瓷刀片可能是一种最主要的非硬质合金刀片。随着耐热合金材料(如Inconel合金)在航空工业和其他行业零部件中的应用日趋广泛,陶瓷刀片在对这些难加工材料的加工中表现出了优异的切削性能。


陶瓷刀片的制造工艺与硬质合金刀片非常相似。由于陶瓷不像其他材料那样容易粘结,因此在烧结时必须采用高得多的温度和压力。


通常,在陶瓷刀片中使用碳化硅(SiC)晶须能够增加其强度。这些细小的纤维可以起到用钢筋来强化混凝土的相同作用。过去,在陶瓷中添加SiC的强化效果相对较小,但近年来的技术突破已经改变了这种状况。新的工艺可使SiC晶须定向于特定的方向,从而大大提高了强化效果。与其他刀片材料相比,陶瓷的脆性更大,也经常会出现缺陷。加入正确定向的SiC晶须可以显着减缓陶瓷刀片的碎裂失效过程,因为刀片中的微裂纹需要更大的能量,才能穿过整齐排列的晶须。随着这种技术和其他类似技术的继续发展,陶瓷刀片将成为一种适合各种加工的、更具可行性的解决方案。


从切削刀片中获得更多收益


从购买决策的角度来看,对于切削刀片,需要牢记的、最重要的事情是不过忽略那些难以观察到的方面。如果不通过切削试验,即使仔细检查,可能也很难分辨出优质刀片与劣质刀片的差别。因为刀片的外表都差不多而选用廉价刀片,将不可避免地在以后的加工中增加成本。


在选择刀片牌号时,理想的做法是咨询刀具制造商的技术专家。除此之外,还可以利用一些基本概念,来缩小可供选择的刀片范围。大部分刀具制造商都采用一种可以反映刀片特性的方式来给它们编号。为了查找所需刀片的类别,加工车间最好从u乐国际平台的中间开始,根据其性能向前或向后查找。


最后,如果某种刀片没有达到最佳切削性能,可以找到一些有助于确定解决方案的证据。用放大镜仔细观察刀片的切削刃,就可以揭示问题的实质。如果检查表明,刀片切削刃出现了明显的磨料磨损或微小变形,说明刀片硬度偏低,需要换用硬度更高的牌号。如果刀片发生了崩刃,切削刃出现了小块缺失,则可能需要改用硬度较低、韧性较好的牌号。通过了解切削刀片是如何制造的,以及如何为特定的加工定制不同的刀片牌号,就可以采取各种具有针对性的措施,来提高加工效率和降低加工成本。

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