难加工材料的切削加工材料及方法

陈汉钦

近年来，机械制品多功能、高功能化发展势头十分强劲，要求零件必须实现小型化、微细化。为了满足些要求，则所用材料必须具有高硬度、高韧性高耐磨性，而具有这些特性材料其加工难度也特别大，因此又出现了新难加工材料。难加工材料就这样随着时代发展及专业领域不同而出现，其特有加工技术也随着时代及各专业领域研究开发而不断向前发展。
6 e- s/ ^& W: s$ W% U, W另一方面，随着信息化社会到来，难加工材料切削技术信息也可通过因特网互相交流，因此，今后有关难加工材料切削加工数据等信息将会更加充实，加工效率也必然会进一步提高，本文以难加工材料切削加工为核心，介绍该技术近年来发展动向。
切削领域难加工材料
切削加工，通常出现刀具磨损包括如下两种形态：（1）由于机械作用而出现磨损，如崩刃或磨粒磨损等；（2）由于热及化学作用而出现磨损，如粘结、扩散、腐蚀等磨损，以及由切削刃软化、溶融而产生破断、热疲劳、热龟裂等。
4 @4 O& k7 ?. n7 }: O9 X切削难加工材料时，很短时间内即出现上述刀具磨损，这由于被加工材料存较多促使刀具磨损因素。例如，多数难加工材料均具有热传导率较低特点，切削时产生热量很难扩散，致使刀具刃尖温度很高，切削刃受热影响极为明显。这种影响结果会使刀具材料粘结剂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。另外，难加工材料成分刀具材料某些成分切削高温条件下产生反应，出现成分析出、脱落，或生成其他化合物，这将加速形成崩刃等刀具磨损现象。
切削高硬度、高韧性被加工材料时，切削刃温度很高，也会出现与切削难加工材料时类似刀具磨损。如切削高硬度钢时，与切削一般钢材相比，切削力更大，刀具刚性不足将会引起崩刃等现象，使刀具寿命不稳定，而且会缩短刀具寿命，尤其加工生成短切屑工件材料时，会切削刃附近产生月牙洼磨损，往往短时间内即出现刀具破损。
切削超耐热合金时，由于材料高温硬度很高，切削时应力大量集刃尖处，这将导致切削刃产生塑性变形；同时，由于加工硬化而引起边界磨损也比较严重。
由于这些特点，所以要求用户切削难加工材料时，必须慎重选择刀具品种切削条件，以获得理想加工效果。
难加工材料切削加工应注意问题
切削加工大致分为车削、铣削及以心齿为主切削（钻头、立铣刀端面切削等），这些切削加工切削热对刃尖影响也各不相同。车削一种连续切削，刃尖承受切削力无明显变化，切削热连续作用于切削刃上；铣削则一种间断切削，切削力断续作用于刃尖，切削时将发生振动，刃尖所受热影响，切削时加热非切削时冷却交替进行，总受热量比车削时少。
铣削时切削热一种断续加热现象，刀齿非切削时即被冷却，这将有利于刀具寿命延。日本理化研究所对车削铣削刀具寿命作了对比试验，铣削所用刀具为球头立铣刀，车削为一般车刀，两者相同被加工材料切削条件（由于切削方式不同，切削深度、进给量、切削速度等只能做到大体一致）及同一环境条件下进行切削对比试验，结果表明，铣削加工对延长刀具寿命更为有利。
利用带有心刃（即切削速度＝0M／MIN部位）钻头、球头立铣刀等刀具进行切削时，经常出现靠近心刃处工具寿命低下情况，但仍比车削加工时强。
切削难加工材料时，切削刃受热影响较大，常常会降低刀具寿命，切削方式如为铣削，则刀具寿命会相对长一些。但难加工材料不能自始至终全部采用铣削加工，间总会有需要进行车削或钻削加工时候，因此，应针对不同切削方式，采取相应技术措施，提高加工效率。
: h% b( \4 b6 s切削难加工材料用刀具材料
# y# ^0 k# `2 ^0 d; H# h" Q. LCBN高温硬度现有刀具材料最高，最适合用于难加工材料切削加工。新型涂层硬质合金以超细晶粒合金作基体，选用高温硬度良好涂层材料加以涂层处理，这种材料具有优异耐磨性，也可用于难加工材料切削优良刀具材料之一。
; U# ~' M3 A7 e3 W+ @4 a难加工材料钛、钛合金由于化学活性高，热传导率低，可选用金刚石刀具进行切削加工。CBN烧结体刀具适用于高硬度钢及铸铁等材料切削加工，CBN成分含量越高，刀具寿命也越长，切削用量也可相应提高。据报道，目前已开发出不使用粘结剂CBN烧结体。
: S9 e# w0 s8 m' |7 @金刚石烧结体刀具适用于铝合金、纯铜等材料切削加工。金刚石刀具刃口锋利，热传导率高，刃尖滞留热量较少，可将积屑瘤等粘附物发生控制最低限度之内。切削纯钛钛合金时，选用单晶金刚石刀具切削比较稳定，可延长刀具寿命。？
涂层硬质合金刀具几乎适用于各种难加工材料切削加工，但涂层性能（单一涂层复合涂层）差异很大，因此，应根据不同加工对象，选用适宜涂层刀具材料。据报道，最近已开发出金刚石涂层硬质合金DLC（DIAMONDLIKECARBON）涂层硬质合金，使涂层刀具应用范围进一步扩大，并已可用于高速切削加工领域。
切削难加工材料刀具形状
( j7 w! w6 e: q* y3 T切削难加工材料时，刀具形状最佳化可充分发挥刀具材料性能。选择与难加工材料特点相适应前角、后角、切入角等刀具几何形状对刃尖进行适当处理，对提高切削精度延长刀具寿命有很大影响，因此，刀具形状方面决不能掉以轻心。但，随着高速铣削技术推广应用，近来已逐渐采用小切深以减轻刀齿负荷，采用逆铣并提高进给速度，因此，对切削刃形状设计思路也有所改变。
对难加工材料进行钻削加工时，增大钻尖角，进行十字形修磨，降低扭矩切削热有效途径，它可将切削与切削面接触面积控制最小范围之内，这对延长刀具寿命提高切削条件十分有利。钻头钻孔加工时，切削热极易滞留切削刃附近，而且排屑也很困难，切削难加工材料时，这些问题更为突出，必须给以足够关注。
7 p% x5 ]9 M% J$ @5 u9 e为了便于排屑，通常钻头切削刃后侧设有冷却液喷出口，可供给充足水溶性冷却液或雾状冷却剂等，使排屑变得更为顺畅，这种方式对切削刃冷却效果也很理想。近年来，已开发出一些润滑性能良好涂层物质，这些物质涂镀钻头表面后，用其加工3～5D浅孔时，可采用干式钻削方式。
孔精加工历来采用镗削方式，不过近来已逐渐由传统连续切削方式改变为采用等高线切削这类间断切削方式，这种方式对提高排屑性能延长工具寿命均更为有利。因此，这种间断切削用镗削刀具设计出来后，立即被应用于汽车零件CNC切削加工。螺纹孔加工方面，目前也采用螺旋切削插补方式，切螺纹用立铣刀已大量投放市场。
如上所述，这种由原来连续切削向间断切削转换，随着对CNC切削理解加深而进行，这一个渐进过程。采用此种切削方式切削难加工材料时，可保持切削平稳性，且有利于延长工具寿命。
难加工材料切削条件
难加工材料切削条件历来都设定得比较低，随着刀具性能提高，高速高精度CNC机床出现，以及高速铣削方式引进等，目前，难加工材料切削已进入高速加工、刀具长寿命化时期。
现，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度进给速度加工方式，已成为切削难加工材料最佳方式。当然，选择适应难加工材料特有性能刀具材料刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨迹最佳化。例如，钻削不锈钢等材料时，由于材料热传导率很低，因此，必须防止切削热大量滞留切削刃上，为此应尽可能采用间断切削，以避免切削刃切削面摩擦生热，这将有助于延长工具寿命保证切削稳定。用球头立铣刀对难加工材料进行粗加工时，工具形状夹具应很好配合，这样可提高刀具切削部分振摆精度夹持刚性，以便高速回转条件下，保证将每齿进给量提高到最大限度，同时也可延长工具寿命。
文章关键词： 刀具、材料、铝合金