用于干切削的新型刀具

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一、前　言

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随着人类对资源和环境保护的日益重视，“清洁化生产”的概念已逐渐引起人们关注，并成为未来制造业的重要发展方向之一。

在金属切削加工中，切削液具有冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等功能，对延长刀具寿命，保证加工质量起着重要作用。但是，切削液的广泛使用，不但浪费大量资源，增加了加工成本，而且污染环境，甚至危害工人健康。切削废液的处理已成为现代制造业的一大难题。
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干切削是消除切削液污染，实现清洁化生产的有效途径。干切削技术的发展在很大程度上要依赖于新型刀具的开发与应用。下面介绍两种国外新近开发的适用于干切削的新型刀具。
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二、新型陶瓷刀具

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陶瓷刀具由于具有高耐热性和良好的化学稳定性，非常适合用于干切削。但陶瓷材料脆性大、强度及韧性差等固有物理特性却在很大程度上限制了它在干切削中的应用。新型陶瓷材料的开发较好地解决了这一难题。
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R9 K+ ^7 z1 Z7 w 图1

1．新型氧化铝陶瓷刀片 0 @3 C& Z) T) S" O4 l$ J2 g+ o

提高陶瓷材料强度及韧性最有效的方法是减小陶瓷晶粒尺寸，提高材料纯度。

在陶瓷刀片制造过程中，特别在高温烧结时，存在晶粒长大现象。为遏制晶粒长大，常在陶瓷粉末中加入MgO作为抑制剂，但该氧化物烧结后形成玻璃相，沉积于晶界处，使晶界分离，从而降低了晶界强度，且易产生晶间碎裂。如能在低温下烧结陶瓷，则无须添加抑制剂，就可避免上述现象，提高陶瓷刀片性能。 0 ?+ q, g% }7 b$ ]; H/ q

最近，日本学者开发了一种微细颗粒(0.22µm)、高纯度(99.99%)的新型氧化铝陶瓷粉末用于制造陶瓷刀片。这种微细粉末具有很大的比表面积(15.1m²/g)，压实时具有极大的表面能，在此能量作用下，烧结时所需温度明显降低，在1230℃时即可充分烧结，这就意味着烧结时无须添加抑制剂，从而使晶界处无杂质存在。 8 O2 c7 X, f% `, f3 R

制造这种陶瓷刀片时可采用如图1所示的高速离心压实方法，在10-20×10³G的强大离心力作用下压实坯料，经干燥后在1230℃的温度下烧结1.5小时即可获得成品。

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表1

性能参数	AW刀片	HU刀片
抗弯强度(MPa)	780	1330
维氏硬度(kg/mm²)	1650	2100
断裂韧性(MPa/m1/2)	3.5	3.3
密度(g/cm³)	3.94	3.95

表1为新型氧化铝陶瓷刀片(HU)与普通陶瓷刀片(AW)的机械性能比较。由断裂表面测得的平均晶粒大小，裂为主，而HU刀片则以穿晶碎裂为主。
2.切削试验

分别采用HU刀片和AW刀片对灰铸铁和中碳钢进行了车削和铣削的干切削对比试验，试验结果表明，晶粒更细、晶界更纯的HU陶瓷刀片在干切削中具有更为优异的切削性能。
(1) 灰铸铁车削试验 # P- P. @* X/ k; S" I0 i5 h4 ^

切削用量为：v＝300m/min，f=0.39mm/r，a_p=1.0mm，干切削。图2a、b分别为HU刀片与AW刀
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(a) 2 i4 g l1 E% t( n9 N1 a	(b)
图2
(a) ap=1mm . A/ m0 _+ r3 \/ k3 x- L! \# |	(b)ap=1.5mm
图3

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由图可见，HU刀片的耐磨性明显优于AW刀片，在进给量为0.21～0.50mm/r范围内，情况均与图2类似。通过对干切削5分钟后的刀片形态进行SEM检查，结果显示HU刀片磨损很小，而AW刀片磨损面相当粗糙。这是因为普通陶瓷刀片晶粒较大，磨损主要由晶间碎裂造成；而新型陶瓷刀片不仅硬度高，而且晶界无杂质，粘结强度好，磨损形式主要为穿晶碎裂。
(2)中碳钢车削试验 ) k; w0 J% F6 v" E( M! D

切削用量为：v=200m/min，f=0.21mm/r，a_p=1mm和1.5mm，干切削。图3a、b分别为a_p=1mm和1.5mm时两种刀片的磨损宽度随切削时间的变化曲线。

由图可见，当切削深度较小时(a_p=1mm)，HU刀片耐磨性极好；当切削深度较大时(a_p=1.5mm)，切削1分钟后AW刀片破碎失效，而HU刀片切削5分钟后仍可继续使用。对磨损后的刀片进行SEM检查表明，AW刀片的磨损由破碎造成，而HU刀片的磨损是逐渐形成的，没有明显的破碎现象。 * D6 x# y8 T9 C4 T6 \& S( B1 Q% y+ k/ Y7 ~6 }# n9 p" W$ l+ K% h( D8 |; U% M( d: U+ P7 G1 t T" O* m/ @+ U" h! s# d- X) H* Y$ K( I8 `( C# Y& @0 ^ x2 ?9 m1 k' S8 y, a {& B; r3 C# G( y+ d7 n; m# N6 w0 b( Z$ [, N% Y1 G/ A0 w6 K3 o, ~" u `. e: w+ O$ k6 b" s% X& y7 ~$ H8 n2 b; i' ^" h! b" T" _7 _& x2 i% J' W: R# S8 _. p$ |) Z4 r- C0 x6 H" a8 X Y+ {: o* Q. s- }& N# C/ w; d c% m4 x; t6 R1 ?0 W3 ]. M) R* v1 z% ~5 j& h* e! Z% w5 g" C- u& o! b7 p+ @5 |! a- O2 Y5 D: c/ C( L

表2

进给量(mm/齿)	AW刀片	HU刀片
0.10	PPP	PPP
0.15	PPP	PPP
0.20	PPP	PPP
0.25	FFF	PPP
0.30		PPP
0.35		PPP
0.40		PPF
0.45		PFF
0.50		FFF

(3)中碳钢铣削试验

在相同切削条件下对两种刀片进行了3次面铣中碳的干切削试验，试验结果见表2。在表中每次试验结果用P(无破损)和F(破损)表示。以某一进给量切削工件时，若达到规定的切削长度(480m)而刀片未出现破损，则记作P，然后继续进行更大进给量的试验。

对切削4分钟后的刀片进行的SEM检查表明，HU刀片干铣削中碳钢时的磨损量很小，磨损表面形态与车削类似。

切削试验表明，晶粒更细、晶界更纯的新型氧化铝陶瓷刀片具有良好的抗机械冲击和热冲击性能以及极高的耐磨性和抗破损能力，是用于干切削的理想刀具。

三、纳米涂层刀具

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为了改善刀具的切削性能，新的刀具涂层材料及涂覆方法层出不穷，由美国学者开发的纳米涂层(Nanocoatings)是其中最成功的一种。这种涂层方法可采用多种涂层材料的不同组合(如金属/金属组合、金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等)，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加，使其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，十分适合用于干切削。

1. 涂层种类及性能 & M' t. d: T% l, d; T+ s

由摩擦、润滑和磨损的观点看，硬质合金刀具的多层纳米涂层可分为四类：(1)硬/硬组合：碳化物、硼化物、氮化物、氧化物之间的组合，如B₄C/SiC、B₄C/HfC、TiC/TiB₂、TiN/TiB₂、TiC/TiN等。(2)硬/软组合：碳化物/金属组合，如B₄C/W、SiC/Al、SiC/W、SiC/Ti等。(3)软/软组合：金属/金属组合，如Ni/Cu等。(4)具有润滑性能的软/软组合：固体润滑剂/金属组合，如MoS₂/Mo、WS₂/W、TaS₂/Ta、MoS₂/Al-MO等。这些复合涂层每层由两种材料组合而成，厚度仅为几纳米。根据切削性能需要及涂层性质，可交互叠加涂覆上百层，总厚度可达2～5µm。 " s& q7 S% X4 l3 O4 d2 O, }9 `

硬/硬复合涂层材料常用B₄C/SiC、HfC/SiC和HfC/B₄C，这种表面涂层可为刀具提
供高温氧化保护。此外，在切削加工中发现，碳化物/金属复合涂层处会产生定向金属氧化。当TiAlN中的Al氧化生成氧化铝时，可改善TiN涂层的性能，使其导热系数减小，抗氧化扩散的保护能力提高。Al与硬度更高(与TiN相比)的B₄C、HfC、SiC等碳化物组成复合涂层，可更进一步提高涂层性能。此外，具有较小摩擦系数的氧化物膜可减少刀具与工件界面处产生的切削热。能形成这种低摩擦系数的氧化物保护膜的金属有Al、Ta、Mo和W。例如在陶瓷表面离子注入混合的Ti和Ni而形成的表面具有极小的摩擦系数(0.06～0.09)；由Zr的氧化物形成的氧化锆表面摩擦系数更小，且具有优异的抗热及散热性能。层状结晶的二硫化物也具有较小的摩擦系数，如二硫化钼(MoS₂)是常用的固体润滑剂，但它在空气中加热到350～400℃时即显著氧化，如将MoS₂与耐热金属Mo组合成复合涂层MoS₂/Mo，则其耐热能力可明显提高。其它一些耐热金属的二硫化物(如WS₂、TaS₂)在空气中比MoS₂具有更好的稳定性，如WS₂在600～650℃时才氧化，而TaS₂在空气中加热到750℃时仍保持稳定。因此，由耐热金属的二硫化物与耐热金属组合的复合涂层(如WS₂/W和TaS₂/Ta)具有优异的抗高温性能。
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2. 涂覆工艺原理 . P6 _8 M5 v6 d1 g

纳米涂层的涂覆可采用先进的封闭场不平衡磁溅射法(CFUMS)。该方法与普通磁溅射法相比，具有效率高、功率消耗小、溅射室压力小、温度低、靶到工件距离大等优点，获得的涂层更纯净、更致密、性能更一致。此外，试验证明，CFUMS法生产重复性好，涂层具有更高的粘结强度，摩擦系数恒定，因而在干切削中具有更长的使用寿命。 9 L' e* Z/ \& P0 G( w8 M

磁源(靶)置于真空室内壁上，被涂刀具置于转鼓上，将氩气通入真空室中。根据涂层材料是非导体(如陶瓷氧化物)或导体(如金属)，分别用RF和DC电源进行磁化产生等离子。当沉积多层薄膜时需要两种不同材料的等离子体，这时则可采用两个靶，当转鼓转一整转，即可沉积一层双材料层。根据涂层所需层厚，可确定所需双材料层的层数，从而确定转鼓转动转数。每一层涂层的层厚则可通过每个靶的功率、转鼓的转速以及靶材料的溅射特性来控制。

获得的涂层质量可通过多种方法进行检查。常用的方法是用针式轮廓测量仪测量涂层总厚度；用x射线衍射法测量单层涂层或双材料层的厚度；用纳米硬度测量法测量涂层硬度。还可采用光学显微镜、扫描电镜或射
线电子显微镜测量涂层的微观形貌。

3. 切削试验 3 S1 ?# T; v% ^2 o

有人采用CFUMS涂覆工艺在硬质合金刀具和HSS钻头上涂覆B₄C/W多层纳米涂层(100层双材料层，每层厚度B₄C为13Å，W为18Å)，然后分别采用未涂层刀具、普通单涂层(TiAlN)刀具、三涂层(TiC/TiCN/TiN和TiC/Al₂O₃/TiN)刀具和B₄C/W多层纳米涂层刀具在105m/min的切削速度下对中碳钢进行了干切削对比试验。试验结果表明，纳米涂层刀具的后刀面磨损量比未涂层刀具和常用的TiC/Al₂O₃/TiN三涂层刀具大大减小。此外，随着切削时间的延长，纳米涂层刀具的切削力与未涂层刀具、TiC/TiCN/TiN三涂层刀具和TiAlN涂层刀具相比也显著减小。 , X J+ j/ r. N0 _

还有人采用固体润滑剂多层纳米涂层(MoS/Mo双材料涂层，共400层，总厚度3.2µm，每层厚80Å)HSS钻头与未涂层钻头进行了干切削对比试验。工件材料为Ti-6Al-4V合金，该材料导热系数低，切削时易生成积屑瘤，加工硬化现象严重，属难加工材料。试验用钻头直径为?9.5mm，名义钻削速度2200r/min。试验结果表明，测得的钻削力和钻头磨损量与进给量呈函数关系。未涂层钻头钻进时，钻削力急剧增大，最后导致钻头卡入工件中。而多层纳米涂层钻头钻进时的钻削力减小约33%，在相同的钻削时间内钻削顺利，未发生钻头卡住现象或其它故障，钻削性能显著优于未涂层钻头。 2 S" Z4 p1 N* E" M% s1 Y1 n

切削试验表明，纳米涂层刀具是适用于干切削的理想刀具。

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