绿色加工技术中刀具问题的研究_做刀具的步骤
时间：2019-03-29 03:15:25 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要： 本文对绿色加工技术中刀具问题进行了探讨，从三个方面介绍了目前高速干切削加工工艺下刀具问题的研究思路，并对三种思路进行评价。 关键词： 绿色加工；刀具；高速干切削
0 引言
随着科学技术的日益发展，公众的环保意识逐渐加强，对生存环境要求也愈来愈高。传统的机加工技术由于其高的资源浪费、高的能源消耗、高污染等不足，难以与人们日益提高的环保意识相协调，因此绿色加工技术就应运而生。
绿色加工技术是以传统的工艺技术为基础，并结合材料科学、表面技术、控制技术等新技术的先进制造技术[1]。其目标是对资源的合理利用，节约成本，降低对环境造成的污染。在机械加工中，绿色加工技术主要是在切削和磨削上采用干切削和干磨削的方法来进行加工。常规的加工方法例如车削、铣削、磨削等，都需要切削液来辅助加工，切削液在加工中的作用主要起到冷却、润滑、排屑和清洗的作用。但是，随着高速加工技术的迅猛发展，加工过程中使用的切削液用量越来越大，其流量有时高达80～100L/min。大量切削液的使用造成了很多有害影响，如零件的生产成本大幅度提高，环境污染严重，对工人的身体健康造成危害等。干式加工是在加工过程中不采用切削液的一种加工方法，省去了切削液及其处理的大量费用，但由于不使用切削液，所以使得刀具的工况却变得极为苛刻，对刀具的要求较高，要求刀具有很高的红硬性和热韧性，良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。那么，如何解决干切削工况下的刀具问题，将是绿色加工技术中一个亟待研究的课题。
1 绿色加工技术中刀具研究思路
目前，国内外在解决绿色加工技术中，针对高速干切削工况下刀具问题的解决有三种思路。其一，从刀具材料入手，即选择具有耐磨和耐热材料作为刀具材料；其二，从刀具的结构设计入手，即在刀具的几何参数和结构设计时，充分考虑干切削对断屑和排屑的要求，降低刀尖切削刃部分的温度；其三，对传统的刀具进行表面处理，进行表面涂层或表面改性，使其满足高速干切削需要。
1.1 刀具材料方面的研究 对绿色切削加工技术而言，通常是采用高速干切削工艺得以实施[2]，传统刀具在耐磨和耐热方面都无法满足要求。
在切削加工中，通常出现的刀具失效有两种形态：①由于机械作用而出现的磨损，如崩刃或磨粒磨损等；②由于热及化学作用而出现的磨损，如粘结、扩散、腐蚀等磨损，以及由切削刃软化、溶融而产生的破断、热疲劳、热龟裂等。在切削高硬度、高韧性、难加工材料时，切削刃的温度会很高，使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降，WC（碳化钨）等粒子易于分离出去，从而加速了刀具磨损。对于高速干切削工艺而言，上述失效情况将更明显，对刀具材料的耐磨、耐热性能要求更高。
高速干切削时要求刀具材料与被加工材料化学亲力要小，必须具有良好耐热性，极高热硬性热韧性。硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石五种刀具材料都有较高的热硬性和耐磨性，是目前高速和干式切削中应用最为普遍的几种刀具材料，但在使用时都有一定的制约因素。如硬质合金材料刀具，其要求要有超细的颗粒，以及严格的粉末冶金技术；金属陶瓷刀片硬度高、耐冲击性好，但热硬性差，且不适合大切削量加工；陶瓷刀片与以上材料刀片相比，强度、韧性、抗冲击性能差；CBN（立方氮化硼）刀片硬度和耐磨性不及金刚石刀片，而且制作工艺难度大和造价昂贵；聚晶金刚石刀片有很高硬度热导率，适合高速干切削有色金属，但不能加工黑色金属。
1.2 刀具结构方面的研究 在刀具的几何参数和结构设计时，充分考虑干切削对断屑和排屑的要求，比如目前车刀三维曲面断屑槽方面的设计与制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量快速设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。也可在刀具上设计辅助冷却系统，如内置冷却液冷却、液氮冷却，以及低温冷风冷却等。另外，通过刀具结构处理，加快切削的排除，减小热量的积蓄，从而降低刀具和工具处的温度。
1.3 刀具涂层方面的研究 表面改性处理是提高刀具高速干切削工艺性能的一种直接有效的方法。表面改性处理刀具分为两种类型：一种是通过化学热处理的方式，比如刀具的QPQ氮化工艺，成都工具研究所用QPQ技术处理的钻头可在干切削工况下工作，其耐磨性能提高5倍以上[3]；一种是利用PVD法或CVD法在刀具表面涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物，如TiN、TiAlN等涂层[4]。涂层之所以用于高速干切削工艺，主要是因为以下几方面原因：
①涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了刀具磨损。②涂层一般具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热、耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，可使刀具耐磨性和耐热性提升，从而使刀具寿命提高3-5倍。③涂层具有替代切削液的功能，主要体现在：其一，涂层可获得低摩擦系数摩擦表面，取代切削液的润滑作用；其二，涂层具有一定的隔热作用，削弱切削热向刀具传播，取代切削液冷却刀具的作用。
另外，为了进一步提高刀具的使用寿命和切削效率，一些特殊的表面改性工艺层出不穷。如TiAlN+WC/C减摩耐磨复合涂层[5]、多种涂层材料组合构成的纳米级涂层、QPQ循环氮化处理。其中QPQ循环氮化技术，通过高温的氮化处理与低温的氧化处理循环处理，与普通QPQ技术相比可使处理的氮化速度提升，使刀具的氮化层脆性下降，刀具在高速干切削工艺下比普通刀具寿命提高6倍以上。
2 结语
针对绿色加工技术中高速干切削工艺下刀具问题的解决途径，本文介绍的三种不同的研究思路，三种思路的侧重点有所不同。第一种思路从材料入手，选择的是一些特殊材料，这些材料价格昂贵，使刀具的成本大大增加，可用于高端产品的生产，对于常规加工来说，经济性不好；第二种思路从刀具设计入手，从某一些方面改善了刀具的切削环境，但没有改变刀具自身的性能，而且研究周期比较长；第三种思路是从改变现有刀具性能入手，是一种最直接、最有效的研究方法，也是目前研究比较多的一种思路。
参考文献：
[1]Zhang Hui,The study on dry cutting and cryogenic cutting of green manufacturing technology [J],Science＆Technology information,2010,(10):52-53.
[2]Chen Chao,Huang Jian-lon,Green cutting technology based on environmental awareness[J]，Machinery design & Manufactur,2010,(9):123-125.
[3]Li Shen,Luo De-fu,Combination of cryogenic treatment and QPQ process for high speed steel cutting tool [J],Heat treatment,2010,(2):70-71.
[4]Jae-Young HEO,Sung-Hak CHO,Effects of honing treatment on AIP-TiN and TiA1N coated end-mill for high speed machining[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2011,A01:83-87.
[5]胡萍.浅析高速干切削刀具技术[J].科学与财富，2011，（10）：172-173.
