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立 方氮化硼刀具适用于切削哪些材料 ?立方氮化硼 (CBN)由于有优良的性能 ,不仅是制造磨具的好磨料 ,而且它可以用金刚石磨轮修磨出各种几何形状 ,制造各种车刀、镗刀、铣刀、铰刀、枪钻和齿轮刀具 ,用于切削加工各种淬火钢、铸铁 (钒钛铸铁、高磷铸铁、冷硬铸铁 )、高温合金 (镍基合金、钴基合金 )、硬质合金、表面喷涂材料等。CBN刀具不仅有高的切削效率 ,而且可获得高的表面质量 ,可以实现用刀具切削加工代替磨削加工。CBN刀具虽然有许多优点 ,但也有使用上的局限性。由于它的脆性大 ,不宜作冲击载荷较大的加工。加工软的铁族金属、铜合金、铝合金时 ,易产生积屑瘤 ,使加工表面恶化 ,刀具耐用度降低 ,而且不宜作低速刀具。CBN微粒有一定的尺寸 ,故刀具的刃口钝圆半径、刃口的直线度和微观平面度 ,较金刚石刀具差 ,在超精密切削时 ,应选用金刚石刀具。2 4　金刚石刀具有哪几种 ?各有什么特点和用途 ?金刚石是自然界物质中最硬的一种材料。金刚石有天然金刚石 (JT)和人造金刚石两大类。人造金刚石又分整体人造金刚石和人造聚晶金刚石及其复合片 (PCD)。近来又研制出人造金刚石厚膜 (厚度大于 0 .5mm) ,即切割所需要形状、尺寸的刀片 ,焊接在硬质合金基体上 ,形成金刚石厚膜钎焊刀片 ,再焊接在刀杆上 ,成为刀具。或者在硬质合金刀片上 ,用CVD的方法 ,涂覆一层厚 10～ 2 5 μm的薄膜 ,成为金刚石涂层刀片。(1)天然金刚石刀具 :天然金刚石的硬度为 10 0 0 0HV ,抗弯强度为 2 10～ 4 90MPa ,导热系数为 14 6 .5W/ (m·K) ,耐热性为 70 0℃～ 80 0℃。用它制作刀具时必须选向 ,因为在不同的晶面上 ,其硬度、强度和耐磨性差别很大 ,可在 10 0～ 5 0 0倍内变化。如选好适宜的方向 ,它切削时的耐用度极高。天然金刚石刀具性质较脆 ,容易沿晶体解理破裂 ,磨削困难 ,价格昂贵 ,使其应用受到限制。天然金刚石刀具主要用于切削铜和铜合金、铝和铝合金 ,以及塑料的精密切削。加工后的表面粗糙度Ra 可达 0 .1～ 0 .0 12 μm。刃磨 1次可使用几百小时。(2 )整体人造聚晶金刚石刀具 :它的硬度比天然金刚石稍低 (80 0 0～10 0 0 0HV) ,强度比天然金刚石高 ,为 10 0 0MPa ,可以承受小的断续切削而不致大块崩裂。聚晶金刚石各向的硬度和耐磨性一致 ,性能稳定。它可以制作较大尺寸的刀片。适合切削的材料与天然金刚石相同 ,只不过加工表面的粗糙度Ra 只能达到 0 .0 5 μm。(3)人造聚晶金刚石复合片刀具 (PCD) :它是在强度较高的硬质合金刀片上 ,烧结一层金刚石聚晶层 ,使它的复合强度提高到 15 0 0MPa,在切削力的作用下不易崩裂。PCD刀片聚晶层的硬度和耐磨性在各方向一致 ,使用时不需选向。金刚石微粉层的粒度在 2～ 8μm以下。PCD刀片可以磨成各种角度 ,并用银焊在可转位刀片或刀杆上形成刀具。用它可以高效率地切削有色金属和非金属材料 ,如铜和铜合金、铝和铝合金、硬质合金、陶瓷、石墨、塑料、橡胶、玻璃钢、巴士合金、砂轮和各种复合材料。(4 )人造金刚石厚膜钎焊刀具 :它是把金刚石厚膜 (约厚 0 .5～ 0 .7mm) ,用激光切割成所需厚度的刀片 ,焊接在硬质合金刀片上 ,用金刚石磨轮刃磨出合理的几何角度 ,即可使用 ,磨损后可以修磨。其性能和用途与PCD相同。(5 )人造金刚石涂层刀具 :它是在刃磨好的硬质合金刀具上 ,涂覆 1层金刚石 ,以提高刀具耐用度和抗粘结性能 ,主要用于切削有色金属。2 5　怎样选择金刚石车刀的几何参数和切削用量 ?金刚石刀具车削时具有加工精度高和表面粗糙度低、切削力小、切削温度低、刀具耐用度高、加工表面冷作硬化低等特点 ,广泛用于有色金属和非金属的精密车削。为了获得高的加工精度、表面质量和刀具切削部分的强度 ,合理选择刀具切削部分的几何参数和切削用量十分重要。(1)金刚石刀头几何参数 (见图 1)的选择①前角 (γo)。加工不同的材料时 ,前角变化不大。通常金刚石刀具的前角为γo=0°。加工黄铜和硬铝时 ,合理前角γo=2°。加工青铜和玻璃布层压板时 ,γo=- 5°。②后角 (αo)。后角的大小对加工表面粗糙度有一定影响。随着后角增大 ,表面粗糙度精度越来越好。αo=15°时 ,表面质量最好。为了加强刀刃强度 ,一般情况下取αo=5°～ 10°。③主偏角 (κr)。为了降低表面粗糙度和增加刀尖强度 ,一般取κr=4 5°。④过渡刃和修光刃。为了增加刀尖强度和减小已加工表面残留面积高度 ,金刚石车刀一般都要磨出过渡刃和修光刃。过渡刃和修光刃采用直线形 ,也可采用圆弧形。图 1　金刚石刀头几何参数(2 )切削用量的选择①切削深度 (αp)。在不同的切削条件下 ,切削深度变化较大。一般情况下 ,αp=0 .0 1～ 0 .4mm。当加工精度和表面质量要求较高时 ,切削深度应当小。对于铜、铝合金 ,低粗糙度表面的加工 ,切削深度应小于 0 .0 1mm。②进给量 (f)。用金刚石车刀车削不同材料的进给量可在 0 .0 1～0 6 0mm/r中变化。③切削速度 (υc)。由于金刚石刀具在切削过程中 ,切削力小 ,切削温度低 ,加之刀具的高硬度、高耐磨性、高导热性 ,能允许采用较高的切削速度。在切削铜、铝合金时 ,切削速度可达 35 0～ 70 0m/min。在机床刚性允许 ,良好的冷却和排屑及机床振动小的情况下 ,切削速度越高越好难切削材料加工技术问答

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Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

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如 何在缸套生产中充分发挥数控车床高转速和高精度的优势 ,成为工程技术人员急待解决的问题。　　1　刀具的选择①在湿切削条件下 ,普通硬质合金刀具 (如YG3X、YG3、YG6等 )在转速n <30> 0r/min时 ,刀具磨损很快 ,通常只能加工几件工件就需重新刃磨 ;②涂层刀具 (如TiC、TiN刀具 )在n =30 0～5 0 0r/min时加工表面质量较好 ;当涂层磨损以后 ,刀具性能下降 ,出现鳞刺 ,但可以加工 30～ 4 0件缸套。③陶瓷刀片虽然转速可达 80 0～ 10 0 0r/min ,且表面质量较好 ,但烧损较快 ,综合寿命不高。原因是陶瓷刀片本身硬度较低 ,而缸套中的硼化物硬质点硬度高达 80 0HV ,因此刀片容易烧损。由于上述几种刀具在加工缸套时都不太理想 ,因此将目标锁定立方氮化硼 (CBN)刀具。表 1列出的是几种硬质材料的显微硬度参考比值。表 1材料TiNWCTaCTiC Al2 O3Si3N4 立方氮化硼 (CBN)金刚石(C)硬度(HV) 2 0 0 0 2 0 80 180 0 3 0 0 0 2 70 0 5 0 0 0 80 0 0～ 90 0 0　　2　立方氮化硼刀具的特点立方氮化硼 (CBN)是继人工合成金刚石后利用超高温高压技术获得的另一种无机超硬材料 ,它是由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成 ,主要成分为BN ,密度 3 4 4～ 3 4 9g/cm3(YG3为14 9～ 15 3g/cm3) ,硬度 730 0～ 10 0 0 0HV(因厂家不同硬度有差异 ) ,耐热温度 15 0 0℃。由于立方氮化硼与铁元素的化学亲合性小 (因为B、N本身原子特性较稳定 ) ,故多用于切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金等 ,精加工Rz 可达 1 6～ 1μm (Ra0 32～ 0 2 μm) ,实际批量生产中控制在Ra1 2 5～ 1 0 μm。立方氮化硼刀具具有几种形式 :①以聚晶CBN的大颗粒制成的镶嵌式刀片 :有圆形、方形和三角形等形状的规则刀片 ,与机夹刀杆配用。②以硬质合金为基体的复合型CBN刀具 :这样的配合可充分发挥刀刃的耐磨性和基体的韧性 ,扩大立方氮化硼刀具的使用范围。由于两种材料的线膨胀系数及密度都不同 ,为保证热传递及可加工性 ,CBN的厚度一般为 0 5～ 1 2mm ,约占刀片的 1/ 4～1/ 3或更小。刀片有圆柱形、正方形等规则形状 ,也有不规则形状 ,亦与机夹刀杆配用。③将复合型刀片焊接在碳钢上作为整体使用的刀具 ,焊接面为银焊或铜焊 (见图 1)。图 1图 1中的CBN是用CBN粉末在超高压条件下烧结而成 ,含CBN的体积比越大 ,刀具硬度越高。加工含有大量碳化物的淬火钢及铸铁时宜采用CBN体积比为 90 %以上的材料。　　3　立方氮化硼刀具的应用(1)切削试验条件刀具 :郑州博特硬质材料有限公司生产的 80°焊接式机夹式刀块 ;压紧方式 :螺钉上压紧 ;负倒棱宽度 0 1～ 0 2mm(见图 2 )。图 2使用设备 :大连产大力CL 15数控车床。切削液 :煤油。加工工件 :朝柴 6 10 5缸套 ,外圆由10 8+ 0 6 5+ 0 50 mm车至10 8 15mm ,L =2 0 4mm。(2 )切削试验结果记录的切削试验数据列于表 2。表 2刀具编号机床转速(r/min)进给量(mm/r) 冷却状态刀具补偿(mm)加工工件数量 结果评价180 0 0 4510 0 0 0 3 煤油10 0刀尖轻微磨损45前刀面有微月牙凹 ,副切削刃磨损较主切削刃大210 0 0 0 310 0 0 0 310 0 0 0 3煤油14 00 0 5 900 0 5 5 03 12 0 0 0 3煤油 14 84110 0 0 3110 0 0 3 煤油 800 0 5 72513 0 0 0 3110 0 0 3110 0 0 3煤油820 0 5 450 0 5 1106、7、8、9、10 110 0 0 3煤油 15 011、12、13、14 110 0 0 3干切削 70～ 80图 3　　切削试验结果表明 :　　 (1)采用PCBN刀具加工缸套等薄壁产品时 ,当车削进给量f=(0 3～ 0 35 )mm、不大于刀尖圆弧半径 (R =0 4mm)时才能保证刀具磨损正常 (主要是后刀面磨损和前刀面磨损 ) ,同时获得较好的表面加工质量 (Ra1 6～ 1 0 μm)。切削时 ,切削量的突变有可能导致CBN复合层的脱落 ;刀具磨损严重后 ,加工表面质量下降 ,缸套变形加剧 ,不易卸料 ,此时应及时换刀并进行刀具修磨。(2 )在湿切削情况下 ,刀片温度较低 ,刀片基体无蓝色回火区 (这一现象在干切削时也存在 )。(3)PCBN刀具经认真修磨后 ,切削性能保持良好。需要注意的是 :刀具修磨质量对PCBN刀具的性能发挥有很大影响 ,目前PCBN刀具的修磨方式有专用刃磨机床 (带冷却液 )修磨、工具磨床修磨和手工修磨等 ,其中手工修磨要求操作者具有较高的水平。刀片修磨后 ,要增加负倒棱 (0 1～ 0 2 )×10°。金刚石砂轮粒度应选为 2 0 0 #左右 ,修磨时尽可能降低刀片温度 ,因为银焊或铜焊的熔点低 ,修磨时可能因散热性能差打掉CBN复合层。

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切 削液主要分为不含水的油基切削液和主要成分是水的水基切削液两大类 ,具有良好的润滑、冷却、清洗及防锈性能 ,对提高切削加工质量和效率、减少刀具磨损等有着显著效果 ,其中 ,油基切削液润滑性能好 ,冷却性能较差 ,水基切削液则反之 ,但其成本低 ,操作环境安全、干净 ,没有油雾和着火的危险。切削液发展到今天 ,在机械加工业中应用广泛 ,使用量很大 ,成为种类众多 ,门类齐全的工业产品 ,取得了巨大的经济效益 ,同时也是材料切削加工中的主要污染源。因此 ,在保证切削液使用性能的基础上 ,合理选择制造过程中的绿色切削液 ,以期使切削液对健康和环境危害达到最小。1　研究绿色切削液的现实意义首先 ,切削加工中使用过的废油、废液若不经有效处理直接排放或焚烧就会对水资源、大气及土壤造成污染 ,如切削液中防锈剂磷酸钠的积累就会使河流、湖泊因营养富化而出现赤湖。其次 ,切削液会对人身健康、安全有一定的影响 ,如切削液中的添加剂 (如常用作杀菌剂的苯酚类物质 )具有较大毒性 ;切削液中的矿物油、表面活性剂等的脱脂作用、防腐杀菌剂的刺激性、无机盐、有机胺等碱性物质的作用 ,会使人体皮肤干燥、脱脂 ,甚至引起开裂、红肿、化脓等 ;油基切削液的主要成分矿物油和水基切削液中的碱性物质对人的呼吸器官也具有一定危害作用。此外切削液中含有的多种添加剂 ,在使用过程中可能会造成设备腐蚀、生锈、滑动面摩擦增大以及引发火灾等不安全因素。但对于众多的机械制造企业尤其是传统机械制造企业来说 ,在今后很长的一段时间内 ,还将继续使用切削液。所以 ,选择在使用过程中对人体无害、废液又不污染环境的绿色切削液就具有十分重要的现实意义。2　绿色切削液的合理选择2 .1　选择新型环保水基切削液在机械制造业广泛采用的水基切削液具有导热系数大、冷却、润滑和防锈性能好等优点 ,但目前市面上的水基切削液以对人体有致癌作用的亚硝酸钠、铬酸盐等物质为防锈剂和防腐剂 ,不仅其废液难于处理 ,并且对人类和环境会造成危害。因此 ,应尽可能选择新型环保水基切削液 ,如 :烟台师范学院的LA型多效水基切削液与MCL型水基合成切削液 ,是用水溶性极好的油酸酰胺基非离子表面活性剂配制的 ,其分子中同时含有多个羟基、酰胺基等极性基团和长碳链羟基 ,防锈性、抗腐蚀性可靠、不含矿物油、不含亚硝酸盐、铬酸盐等有害物质 ,与皮肤有很好的相容性 ,废液在自然环境中容易被微生物降解 ,环境指标良好。重庆大学机械传动国家重点实验室以松香和多元胺为主要原料 ,合成了无毒、润滑和防锈性能优越的非离子表面活性剂H ,并用该离子表面活性剂做为防锈剂制成的新型环保水基切削液 ,经工业应用结果表明其性能优越 ,是一种完全替代乳化液的理想产品。另外 ,合肥工业大学摩擦学研究所研制的HW - 5型高水基切削液 ,河北玉田康庄新资源技术研究所研制的PA型水基切削液都不含机械油及对人体有害的亚硝酸钠且无磷、无氯 ,不易受细菌感染和发臭变质 ,使用周期长 ,和乳化液相比可以大大减少换液周期 ,减少废液排放 ,对环境不产生污染 ,具有十分重要的环保意义和使用价值。2 .2　选用无毒添加剂的新型切削液选用性能优良且对人体无害和对环境无污染的添加剂 ,或用水基切削液代替油基切削液、用生物降解性好的植物油和合成酯代替矿物油 ,如 :①硼酸酯类添加剂 :硼酸酯容易合成 ,大部分硼酸酯由带羟基的物质 (如醇 )与硼化剂 (如硼酸 )反应而成 ,作为一种新型的减摩抗磨多功能环保型添加剂 ,得到了越来越广泛的应用。除此之外 ,钼酸盐系缓蚀剂能在金属表面形成Fe -MoO4 -Fe2 O3钝化膜 ,是性能良好的防锈剂 ,且几乎没有毒性和对环境的危害性 ,也可作为添加剂使用。2 .3　选用氮气冷却氮气是大气中含量最多的成分 ,液氮作为制氧工业的副产品来源十分广阔。使用液氮作为切削液并将它直接喷射到切削区 ,使用后直接挥发成气体返回大气中 ,没有任何污染物 ,对人体无害 ,从健康和环保方面看 ,是一种很好的切削液替代品。利用氮气的另外一种方法是间接利用 ,不是把液氮直接喷射到切削区 ,美国林肯大学Z .Y .WANG在聚晶CBN刀具上部的方盒内储存液氮 ,由进口输入 ,从出口流出 ,循环冷却刀具 ,达到了预期的效果。

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随 着汽车工业的发展,安全、节能、环保已经成为汽车产品发展的3大主题,同时也对材料提出了高 强度、轻量化的要求。钛是一种稀有金属,其合金具有很高的比强度,很好的耐腐蚀性和高温力学性能。钛合金零部件具有自质量轻、减噪、减振、寿命长等特点。 从20世纪80年代开始,发达国家的汽车工业就将钛合金零部件应用于赛车上,取得了令人满意的效果。随着应用技术日渐成熟和低成本钛合金的开发,钛合金在 汽车领域的应用也将得到不断发展。钛是1795年发现的,由于冶炼困难,1948年才开始工业生产。我国的钛资源非常丰富,钛贮量为世界之冠,发展钛合金 具有广阔前景。我国从1958年开始钛及钛合金的工业化生产,钛的应用从航空航天的研究入手,逐渐扩大应用到化工轻工、电力、冶金、制药、造船、兵器、运 动休闲及建筑领域。现在,钛合金材料正在向汽车工业领域发展。目前,汽车用钛部件主要包括:①阀。利用钛合金制作汽车阀 ,不仅可以减轻自质量,延长使用寿命,而且可靠性高,还可节省燃油。通常,进气阀使用Ti6 Al4V合金,排气阀使用Ti6Al2Sn4Zn2Mo合金。②连杆。用钛合金制造连杆对减轻发动机自质量最有效,能大大提高发动机性能。连杆所用钛合金 主要是Ti6Al4V等材料。 ③曲轴及其他发动机部件。如摇臂、阀簧和连杆的螺栓等。另外,离合器圆盘、压力板等变速器零部件都可利用钛合金制造。采用旋转成型法制造的钛合金离合器外 壳,与钢制外壳相比,可以大大减轻飞轮的冲击破坏。1钛合金材料的性质钛在固态存在着同素异构体。在882℃产生同素异构转变,低于882℃时,钛为密排 六方结构(hcp),称之为“α-Ti”。这种晶体结构具备各向异性,对间隙元素的污染敏感,在低温下塑性逐渐降低。高于882℃时,钛为体心立方结构 (bcc),称之为“β-Ti”。这种类型的结构具有高的成形性能,在高温下的蠕变抗力较低 ,并有“塑性—脆性转变”的特性。在钛中加入合金元素,根据其对钛的同素异构转变影响的不同 ,钛合金可分为3类:①α相钛合金。α相钛合金属于密排六方结构,具有较高的强度和良好韧性 ,在高温下对氧的污染有较强的抵抗力,但成形性能差。典型的α相钛合金牌号有TA7(Ti5 Al2郾5Sn);②β相钛合金。β相钛合金属于体心立方结构,具有较好的成形性。这类合金在成形过程中,易受污染而损坏,使用相对较少;③(α+β)相 钛合金。这类合金具有良好的成形性和室温强度,但热强性较差。(α+β)相钛合金可以进行热处理强化。其典型牌号有TC4 (Ti6Al4V)合金,应用最广,用量最大。钛合金的抗拉强度为686～1176MPa, 最高达1764MPa。由于钛合金的密度仅为钢的60%,而强度较高,故钛合金的比强度很大 ,超过铝、镁合金和合金钢。抗压强度约为抗拉强度的1郾2～2倍;剪切强度一般为抗拉强度的 60%～70%;疲劳强度为抗拉强度的50%～65%。钛合金(退火处理)硬度为HRC32 ～38。抗拉弹性模量为107800～117600MPa;剪切弹性模量为42140～49 980MPa。在高温(550℃左右)下,钛合金仍保持其力学性能;在低温下,钛合金强度反而比常温时增加,且具有良好的韧性。钛对氧有极大的亲和力,在 含氧的环境中能形成坚固的氧化物保护膜,而且有优异的耐腐蚀性能。由于钛合金性能的特殊性,使钛合金的切削加工比较困难。 2钛合金切削加工性差的原因在一定的切削条件下,对工件材料进行切削加工的难易程度,为工件材料的切削加工性。切削加工性是一个相对性的概念。衡量切削加 工性的指标主要有:①以刀具耐用度来衡量;②以加工质量来衡量;③以断屑性能来衡量。钛合金硬度及强度按α相、(α+β) 相、β相的次序增加,而切削加工性按这个次序下降。钛合金切削加工性差的原因主要有:(1) 导热系数小,切削温度高。钛合金的热扩散率分别是铁、铝热扩散率的1/4和1/16。钛合金的导热系数比不锈钢、高温合金的导热系数还低,加工时几乎所有 的热量都集中在切削刃上,因此 ,切削过程中的切削温度非常高。(2)切屑与前刀面的接触长度短,刀尖应力大。相同切削条件下,钛合金的切削力虽然比45号钢小很多,但钛切屑与前刀面的 接触面积却更小,所以,单位切削刃上承受的应力就很大,是钢的1郾3～1郾5倍。由于刀尖附近应力集中,刀尖或切削刃容易磨损,甚至损伤。(3)钛合金的 强度高、硬度大、冲击韧性大,加工硬化非常严重,所以切削时刀具磨损也非常严重。工件加工时产生的不良应力,破坏了加工零件的精度。加工时要求加工设备功 率大,刀具应有较高的强度和硬度。(4)摩擦系数大,摩擦速度高。钛合金与刀具材料间的摩擦系数大于碳钢与刀具材料间的摩擦系数。而钛合金的切屑变形系数 远比其他金属材料小,因而钛合金切屑沿前刀面的摩擦速度高,结果是摩擦功大,摩擦界面温度高,切削热集中在刀刃上,易粘结,刀具易磨损、寿命低。(5)钛 和钛合金在高温时化学活性高,能与空气中的氢、氧和氮起化学反应,形成脆性层,降低塑性,并且使切屑与前刀面的接触长度减小,刀具磨损加剧。(6)弹性模 量小。钛合金的弹性模量约为钢的一半,这就意味着在切削加工时钛合金零件易产生较大的变形,且变形后易回弹,使切削时刀具的实际后角减小,则后刀面与零件 的摩擦将增大。(7)硬化倾向大,要恢复变形前的塑性,需要进行工序间退火或消除应力;对切口、划伤以及其他表面缺陷的敏感性高,易产生裂纹、擦伤;对变 形速度敏感,应在低速下进行加工。(8)塑性变形区小, 常温下加工困难。3改善钛合金切削加工性的措施(1)选择合适的刀具材料。尽可能使用硬质合金刀具,以提高生产率。在硬质合金刀具中,不宜采用YT类硬质 合金,因为这类硬质合金中的钛合金元素和加工材料中的钛元素之间的亲和力会产生严重的粘刀现象。这时切削温度高,摩擦系数大,因而会加剧刀具磨损。而应采 用与钛合金亲和力小、导热性能好、强度高的细晶粒YG类硬质合金,这样切削温度较低,刀具磨损较小,加工表面粗糙度较小。通过物理气相沉积法(PVD) 处理的涂层硬质合金刀具,也越来越多地应用于钛合金加工中。另外,随着CBN刀具材料的成熟 ,使用CBN刀具材料加工钛合金效果也非常好。(2)尽量在硬化期前加工。钛合金都有硬化期 ,也就是合金的硬度在热处理后会急剧上升,接着,它的晶相排列发生变化,强度提高,研磨性提高,加工难度也就增大。因此,我们可以在合金硬度较小的阶段进 行加工。典型方法是:在固熔退火条件下,将工件加工到接近最终尺寸,在硬化期后,如果表面精度已达到要求,只需进行最后的精整工序。(3)选择合理的刀具 几何参数,并提高刃磨质量。可采用较小的前角,以增大切屑与前刀面的接触长度,提高耐用度。后角则可略大些,以减小后刀面与加工表面之间的摩擦。刀尖采用 圆弧刃,刀刃上避免有尖角出现。以增大容热体积,降低切削温度。尽量减小刀刃的粗糙度,以保证排屑流畅和避免崩刃。(4)优化切削用量。切削速度宜低,以 避免切削温度升高过快。切削深度可选择大一些,让刀具上最薄弱的刀尖避开钛合金表面硬质层。当多次走刀时,在重复走刀的路径上,使用不同的切削深度,工件 材料表面可以接触到刀刃上不同部位,从而分散了刀刃磨损的区域。进给量应适中,进给量过大易引起刀刃的烧损。(5)合理选用切削液,可以有效地减小切削过 程中的摩擦,改善散热条件,降低切削力、切削温度和刀具磨损,提高刀具耐用度和切削效率 ,保证已加工表面质量和降低产品的加工成本。钛合金粗加工时,采用3%～5%乳化液或10% ～15%极压乳化液;精加工时,采用极压切削油或极压水溶液;拉削、攻螺纹和铰孔时,采用极压切削油或篦麻油、油酸、硫化油、60%篦麻油加40%煤油; 钻孔时,采用极压乳化液或极压切削油、硫化油、电解切削液。使用切削液时,还要采用合理的冷却方法和充足的流量。对含氯的极压切削液应慎重使用(切削温度 超过260℃时,不宜使用)。在使用含氯的切削液时,使用后应对工件进行充分清洗,以防材料腐蚀。(6)工艺系统应有足够的刚度。加工过程中,刀具振动会 影响工件表面精度和刀具寿命,而提高刀具刚度可以减小振动。同时,刚度提高也有利于保证工件严格的公差要求。另外,钛合金的柔韧性相对较大,因此,需要采 取一些特殊措施防止它移动, 比如用特殊工装夹具。4结束语钛的蕴藏量极为丰富,目前除了铁和铝以外,钛以第三金属的姿态出现,称之为发展中的第三金属。钛虽然投入工业生产和使用较 晚,但发展速度之快,为其他金属所望尘莫及。随着钛合金材料应用技术的日趋完善,钛合金材料将在汽车工业领域应用越来越广泛。有资料报道,日本汽车工业用 钛量2002年为800t,2006年可望达到5000t。我国钛合金材料应用汽车工业领域虽属起步阶段,但相信随着钛合金材料性能的改善和切削加工能力 的提高,钛合金将取代其他很多结构材料而成为新型汽车的骨干材料。

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制 造业是产生工业污染的主要来源之一,其中传统加工所使用的切削液给环境造成了严重的污染。随 着人们对环境保护的日益重视,尤其是环境保护法规的严格实施,对制造业产生的环境污染提出了更高的要求。一种能减少对环境污染、节约资源和能源的绿色制造 技术——干式切削加工技术,越来越受到人们的重视。近年来,许多发达国家在工厂条件允许的情况下正积极地采用干式切削加工技术,以达到减少切削加工的润滑 污染、降低加工成本的目的。1干式切削加工相关技术干式切削加工技术是在无冷却或少许润滑油、剂的条件下,采用高切削速度进行切削加工的方法。在干式切削 条件下,失去切削液、冷却、清洗、排屑的作用,切削条件非常恶劣。在切削区域会产生大量的切削热将无法及时的散发,温度和切削力大幅度上升,摩擦力增大, 刀具磨损加快,生产效率降低。因此要使干式切削加工工艺得到很好地推广,充分发挥其优势,克服其缺点,就必须要很好地解决干式切削加工相关地技术难题。 1.1刀具结构应有良好的耐热性和耐磨性;②切屑及刀具之间的摩擦系数要尽可能小;③刀具的结构要保证排屑流畅与散热;④刀具应有高的强度和抗冲击韧性。 刀具结构为了保证干式切削对断屑、排屑及自冷却的要求,必须对刀具结构和几何参数进行优化。如:①在切削力较小的情况下,可采用大前角和大圆度切削角;② 采用负前角或前后刀面凸起, 以延缓月牙哇对刀刃的损伤;③增大负刃倾角,改善刀刃及刀头的切入状态,提高刀具的抗冲击和抗热震能力。图1为热管式车刀结构、图2为热管式铣刀结构。其 结构特点是在车刀的刀体和铣刀的每个刀齿内部制成空心的热管,配以冷气系统,可把大量的切削热量带走。图3为德国TITE X公司开发的干式深孔钻头“ALPHA22”钻尖结构。该钻头刀刃经过专门优化设计,以减少刀具与工件间的接触强度。1.2刀具材料近几年,高硬度材料的 出现,为干式切削提供了可能。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是:超细硬质合金、陶瓷刀具、金刚石与氮化硼等超硬度材料。①超细硬质合金可以提高普 通硬质合金的韧性,具有很好的耐磨性和耐高温性,可用于制作大前角的深孔钻头、刀片作铣削和钻削的干式加工。②立方氮化硼(CBN)材料的硬度高,达3 200～4000HV,仅次于金刚石、热传导率好,达1300W/MK、具有良好的高温化学稳定性,在1200℃下热稳定很好。采CBN刀具用于加工铸 铁,可大大提高切削速度、用于加工粹火钢,可以以车削代替磨削。③聚晶金刚石(PCD)刀具硬度高,可达7000～8000 HV,热导率可达2100W/MK,线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能很快从刀尖传递到刀体,从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具适用 于干式加工铜、铝及铝合金工件。④涂层硬质合金刀具很适合干式切削加工。涂层的作用主要是在刀具与切削材料之间形成隔热层 ,抑制切削的热冲击,减少摩擦系数,减少刀具的磨损。刀具涂层厚度为1～5μm。涂层的材料有TiC、TiAIN、TiCN等,其中TiAIN具有较好的 耐热性能和高温性能,其高温连续切削性能是TiC涂层的4倍,高温硬度高于TiN。表1是SECO公司用涂层刀具进行干式洗削的情况。图1热管式车刀图2 热管式铣刀结构图3ALPHA22钻尖结构1.3低温冷风切削低温冷风切削的概念是由日本人横川和尹首先提出来的。是一种在-10～-100℃冷风冷却和 非常微量的植物油润滑条件下进行干式切削的技术。有关研究表明,在刀具表面涂一层薄薄的植物油,在切削加工点进行低温冷风冷却,其干式加工的效果很理想。 如,在切削条件为:工件直径 :φ92～φ98mm;切削速度45.1～48.0m/min;进给0.5mm;切削余角: 45°;刀具:刀具半径R0.4mm、SKH高速钢不重磨刀片的试验结果:以刀具后刃面磨损宽度达0.2mm为评价严重磨损的指标的话,完全干式切削时刀 具切削长度为1000mm、只供给Acc-Lube精密润滑油的刀具切削长度为1500mm、只用-12℃的冷风,切削长度为2000mm、在供给- 12℃冷风的同时,在切削部位注入1ml/h的Acc-Lube 精密润滑油,切削长度为4000mm。表1涂层硬质合金刀片的应用刀具种类涂层材料适用的加工材料T150MTi(C、N)+Al2O3灰口铸铁、球墨铸 铁T250MTiC、Ti(C 、N)+TiN碳钢、不锈钢F20MTi(C、N)+(Ti、Al)N+TiN不锈钢F40 MTi(C、N)+(Ti、Al)N+TiN不锈钢1.4气雾润滑切削气雾润滑是采用一定的喷射冷却装置,将冷却液雾化为毫米级的气雾,不断喷射到刀具表 面进行润滑的切削加工。其工作原理是把冷却液通过喷射装置与空气充分混合,并且,在高压下通过多孔喷射由内喷嘴形成冷却循环、外喷嘴形成气柱,对刀具进行 冷却与润滑。该方法能节约大量的冷却液,其冷却液用量在50 ml/h以下。在钢加工和孔深为5倍以上的孔加工中采用此办法效果很好。2干式切削加工的应用在一般的切削加工中,由于切削力和金属变形将在切削区产生很 高的切削热,必须用冷却润滑剂对刀具进行冷却。但是,如果采用上述技术措施,如,改进刀具材料与结构、改变冷却形式、及时排除切屑等,完全能实现干式切削 加工。如美国Makino公司的“红月牙”干式加工技术,该技术采用高切削速度和大进给加工铸铁,使热量很快聚集在切削刀具前端,刀具前端形成红热状态 ,工件加工区域形成370℃左右的高温,此时,切口槽A-A展开刀杆刀片管孔封口管AA工件的屈服强度减小,从而使切削效率大大的增大。在通常情况下,加 工铸铁的切削速度为914～1 219m/min、切除率为16cm3/min,而采用“红月牙”干式切削工艺切削速度将能达到1828～3048m/min、切除率达 49cm3/min。与此同时,由于工件的屈服强度、切削阻力减小提高了主轴入口的夹紧力,简化了复杂工件的加工过程。如,LeBlong 公司在一台加工中心上仅用三种夹具就完成了V8缸体的全部加工,取代了26工位的传输线。3 结束语干式加工与湿式加工相比,不但提高了生产效率,降低了生产成本,而且有利于环保,是一种理想的、清洁的金属切削加工方法。我国的干式切削加工技术同 国外相比还有较大的差距,随着干式切削加工技术在我国金属切削加工中的推(上接第5页)高我们的切削加工效率、降低生产成本、提高零件的切削加工质量。

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在 传统的金属切削加工中,切削液能起到降低切削温度的作用,也有利于断屑和排屑。但切削液的使 用、存储、保洁和处理等都十分烦琐,且成本很高。切削液对环境和操作者身体健康的危害很大。切削液的处理不经济,引起了费用增加。据美国企业的统计,在集 中冷却加工系统中,切削液占总成本的14%～16 % ,刀具成本只占2 %～4 % .据测算,如果2 0 %的切削加工采用干式加工,总的制造成本可降低1.6 %。因此,未来加工的方向是采用尽量少的切削液,由于切削材料和涂层使得干加工在机械制造领域变为可能,对环境有利和降低制造总成本的方法干式加工逐渐得 到推广应用。在干式加工中,刀具的工作环境恶劣,使刀具的寿命缩短,因此在进行干式刀具设计时应综合考虑刀具的几何参数、刀具材料及刀具涂层。1　干式加 工对刀具的基本要求(1)为适应干式加工对刀具加工性能的要求,刀具材料应具有高强度、硬度和良好的耐热性、耐冲击韧性等机械物理性能。(2)干式加工会 显著提高加工区域的温度,增大刀具与切屑之间的摩擦阻力,容易产生积屑瘤,加剧刀具磨损。为增加刀具切削刃的耐高温、耐磨损性能,可对刀具表面进行适当的 涂层处理,以起到减小切削力和切削功率、减小刀具与切屑的摩擦阻力、阻隔切削热、减小刀具磨损、延长刀具寿命的作用。(3)排屑和散热是干式加工中需要解 决的重要工艺课题。为提高加工质量、延长刀具寿命 ,应对刀具的排屑槽结构进行优化设计,以保证排屑流畅、散热迅速。2　干式加工刀具设计(1 )几何参数　干式切削时,由于刀具与切屑接触部位温度过高,刀具的磨损机制通常以月牙洼磨损为主。一般情况下,干式切削刀具应具有较大的前角和刃倾角,但 增大前角又会降低刀尖强度,为此可设置合适的负倒棱或前刀面加强单元,使切削刃对切削力和切削高温具有足够的承受能力,同时又可减轻切削冲击和因月牙洼扩 展造成的不利影响,使切削刃在较长切削时间内保持足够强度。此外,适当加大刀尖前角、后角及刃倾角,可缩短刀具与加工表面的接触长度,有利于减轻后刀面磨 损,延长刀具使用寿命。用金属陶瓷、陶瓷、CBN和PCD制造的刀具比硬质合金要脆得多, 不能经受太多的压力,因此用这些材料制造的刀具必须结合其特点进行设计,即对它加强支撑、分散压力。例如,为了要改变磨削力的方向,使力从切削刃往里向着 刀体,切削刃必须经过加工—刃口准备。有这样三种刃口准备而且其大小还要适当:T型刃带、强化、T型刃带强化。陶瓷刀具脆性较大,可以选用T型或双T型棱 面,或者研磨,或几种方法组合。如美国Valenite公司推荐将0.5×30°的T型棱面用于Al2 O3 +TiC刀片,干式加工淬硬钢,并尽量采用大的余偏角。根据不同刀片几何形状半精车时的刀具余偏角为- 5°～30°。常用的刀片几何形状是正方形、三角形和80°菱形。对CBN刀具,倒棱太大,加工淬硬钢时,在刀具与工件接触处产生高温使刃口很快磨损。因 此,一般不采用大倒棱,刃口可采用斜面或倒圆及负前角,尽可能大的余偏角。建议取值范围为: (15°～25°)×0 .2 5mm的T型倒棱,再进行0 .0 1～0 .0 3mm的研磨<1> 。刀具设计者除了针对工件确定最适合的刀具刃口外,还必须优化刀具的几何角度和排除切屑能力。通过增加后角来减小切削力和对刀具的压力,也降低了切削区的 温度。要使正前角尽可能地大,这样由于较好的剪切作用能减少切削力。宽阔的容屑槽有助于切屑的排除,尤其是对钻削和螺纹加工。深孔加工刀具附加问题是很难 将切屑排出,因此刀具设计必须保证:好的切屑排出效应。在很小的加工力的情况下,设计原则为:大前角和大圆度切削角。干式加工钢件螺纹的丝锥其槽型通常为 螺旋槽,加工通孔螺纹和盲孔时的螺旋角大小不同。如加工盲孔螺纹时,往往采用35°的大螺旋角;当孔深大于2倍丝锥直径时,可采用小螺旋角,通常5°,此 时丝锥切削锥部长度为C/2～ 3牙。而干切削加工铸铁螺纹时,无论是通孔还是盲孔,丝锥槽型均为直槽,其切削锥部长度为C /2～3牙。对于小直径丝锥,为了提高强度和刚度,其槽型也可设计成特殊形状,如无槽挤压丝锥。无槽挤压丝锥用于加工小直径螺纹或塑性较大材料上的螺纹是 非常有效的<1>。(2 )刀具材料　适合干式加工的刀具材料的最重要的性能是耐高温性。如果采用大的前角,还要考虑高硬度。目前适用于干式加工的刀具材料有超细晶粒硬质合金、 CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。①硬质合金　WC基硬质合金主要发展方向是细和超细晶粒硬质合金。超细晶粒硬质合金的抗弯强度可以达到430 0N/mm2 。比高速钢〔(2 5 0 0～380 0 )N/mm2 〕的抗弯强度还要高。因此,超细晶粒硬质合金具有较高的硬度、耐疲劳强度和耐冲击性等性能,可以磨出十分锋利的切削刃,适合制造小规格钻头(直径甚至可以 小至0 .5mm) ,立铣刀和丝椎等刀具。TiC/TiN基硬质合金主要通过增加氮的含量以提高硬度和抗弯强度。与WC基硬质合金相比,它具有较好的高温硬度、刀刃强度高、 摩擦系数小,在较高切削速度和较小的切削深度条件下对钢件和铸件进行半精加工和精加工,可以获得很高的表面质量、稳定的尺寸精度,而且刀具的寿命较长。这 种硬质合金刀具在精车钢件时,切削速度可高达40 0m/min(铣削:30 0m/min) ,加工灰铸铁件时车削速度可达4 5 0m/min(铣削:2 5 0m/min)。②超硬刀具材料　立方氮化硼(CBN)的硬度高达32 0 0HV～4 0 0 0HV ,热传导率130 0W/m·k ,具有良好的抗化学腐蚀性,且在高达12 0 0℃的温度下表现出良好的热稳定性,适合于加工淬硬钢、冷硬铸件和喷焊材料。有的刀具厂开发的细晶粒CBN(2 μm) ,CBN含量(5 0～5 5 ) % ,陶瓷粘结,进一步提高了刀刃的强度,使CBN刀具更适合干式加工。CBN应用于磨削,CBN砂轮的圆周速度达(90～2 5 0 )m/s,大大提高了材料的磨除率,显著缩短磨削时间。如在无心磨床上磨削凸轮轴,磨削余量为4 .1mm ,磨削速度90m/min ,磨削的时间仅为12s,而轴径公差可达2 0 μm ,圆度8μm ,表面粗糙度Rz 4 0 μm ,在砂轮寿命期内加工的工件数超过了5 0万根凸轮轴。聚晶金刚石(PCD)具有特别高的硬度(HV30 :5 0 0 0 )和耐磨性,适合加工铜合金、铝及铝合金、钛及其合金等非铁材料,也可用于极耐磨的高性能材料 ,如纤维增强塑料、金属复合材料以及木材复合材料铝合金。例如MAPAI公司的WWS刀具厂推出用高强度铝合金制作刀体的PCD面铣刀,其切削速度可达 65 0 0m/min(铣刀直径80mm)和86 0 0m/min(铣刀直径2 0 0mm)。PCD刀具干式加工铝合金可以达到很高的切削速度和很长的刀具寿命。采用锋利的切削刃和大正前角高效切削这些材料,使切削压力和屑瘤达到最小。 ③陶瓷和金属陶瓷　金属陶瓷是一种先进的硬质合金。金属陶瓷比常规硬质合金能承受更高的切削温度,但是缺乏硬质合金的耐冲击性、在中型到重型加工时的韧 性、以及在低速大进给时的强度。金属陶瓷在小的和不变的负荷时, 也像常规硬质合金那样,有差不多的刀刃强度。但是它在高切削速度下的耐高温和耐磨性能更好, 持续时间更长,加工的工件表面更光洁。当用于加工软的和粘性的材料时,它也有较好的抗积屑瘤性能,表面质量很好。金属陶瓷加入的钛的化合物可以获得较好的 高温硬度。金属陶瓷是硬质合金的一种型式,它含有坚硬的钛基化合物(碳化钛、碳氮化钛和氮化钛),粘结剂是镍或镍钼。由于金属型粘结剂的温度局限性,典型 的金属陶瓷牌号,在加工的材料硬度超过HRC4 0时,不具备足够高的热硬性。金属陶瓷比起涂层和非涂层硬质合金,对断裂和进给引起的压力更加敏感。因此,它最好用于高精度工件和表面质量要求较高时的加 工。理想的加工是对连续的表面进行切削。车削碳钢时,进给量的上限通常是0.0 2 5in ./r(约0 .6 35mm/r)。一般用途的铣削,可以在高的主轴速度、中等进给量的条件下进行。如果满足这些条件,在大量生产时金属陶瓷能长时间地保持锋利的切削刃。陶 瓷刀具类似于金属陶瓷,比硬质合金的化学稳定性更高,可以在高速下进行长时间的切削加工。纯氧化铝的耐高温性能强,但是它的强度和韧性很低,工作条件如果 不好,容易破碎。为了降低陶瓷对破碎的敏感性,改善韧性、提高耐冲击性能,可以在陶瓷中加入了氧化锆或碳化钛与氮化钛的混合物。但是陶瓷的韧性始终比硬质 合金低得多。另一个提高氧化铝陶瓷韧性的方法是在材料中加入结晶纹理或碳化硅晶须,碳化硅晶须平均起来直径仅有1nm,2 0 μm长,但是它能相当程度地增加陶瓷的韧性、强度和抗热冲击性能。在组成上,晶须可高达30 %。像氧化铝一样,氮化硅比硬质合金有更高的热硬性。它耐高温与机械冲击的性能也比较好。与氧化铝陶瓷相比它的缺点是在加工钢时化学稳定性不很好。可是, 用氮化硅陶瓷可在14 5 0ft./min(约4 4 0m/min)或更高的速度下加工灰铸铁。陶瓷刀具适合加工灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢、耐热合金。陶瓷和金属陶瓷做成的刀具发展较快,是耐 热性、高温硬度、化学稳定性好的刀具材料。因此,也适合于干式切削加工铸铁和淬火钢。(3)涂层　涂层可以通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低温度冲 击。因此刀具材料可通过涂层处理,实现“固体润滑”来减少磨擦和粘接。刀具吸收的热量较少,就能承受较高的切削温度。涂层工艺由高温高压向低温低压的发 展, 使得涂层刀具能保持其韧性。涂层视其性能可分为硬涂层和软涂层(滑动涂层见表1)。硬涂层具有较高的硬度(>25 0 0HV) ,软涂层有很小的磨擦系数。TiAlN涂层有很好耐热性能、高温性能

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高 速切削加工是近些年来迅猛发展的一项高新技术, 从出现至今20年左右时间。高速切削是以高切 削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术。它所采用的切削参数要比传统工艺高出几倍、十几倍。其切削机理缘于德国切削专家萨洛蒙 (CarlSolomon)博士于1931 年提出的一个著名假设:对于每一种结定的工件材料都有一个临界切削速度,在此速度下切削温度最高。在切削速度达到临界速度之前,切削温度和刀具磨损随切削 速度增大而增大,但当切削速度超过这个临界值之后,随着切削速度的增加,切削温度和刀具磨损反而下降。尽管后人的研究表明 ,实际切削中切削温度并没有随切削速度的增加而降低,但他的思想给后来研究者一个非常重要的启示:如果切削过程中切削速度超过临界速度而进入高速区工作。 则可能利用现有的刀具进行高速切削,从而大幅度地提高机床的生产效率。由于高速切削加工具有高速高精度的特点,在加工过程中不仅可以大幅度提高零件的加工 效率,缩短加工时间,降低加工成本,而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。因此,尽管高速切削技术从研究到实用只有近20年的时间, 但它已广泛地应用于航空航天、动力机械、机床、模具、汽车等行业,并产生了巨大经济效益,对制造业产生了巨大的影响,被认为是21世纪最有发展潜力的几大 技术之一。1高速切削概念高速切削的“高速”是一个相对的概念,简单地说,就是相对于常规加工速度而言高得多的一种加工速度。具体如何定义,学术界对此没 有一个统一的说法,不同的研究者从各自的研究侧面对此有不同的理解。目前各个国家对于高速切削的速度范围没有一个统一的规定。因为对于不同的加工方式、不 同的工件材料,高速切削的速度是不同的、因此对此很难有一个一致的说法。通常高速切削的切削速度比常规切削速度高出5～10倍以上。其中以德国 Darmsradt大学H.Schul z教授提出的铣削速度范围比较具有代表性:铝合金1000～7000m/min,黄铜,青铜 900～5000m/min,铸铁800～3000m/min,钢500～2000m/mi n,钛合金100～1000m/min,镍基合金50～500m/min。根据高速切削机理的研究结果,当切削速度达到相当高的区域时,切削力下降,工件 的温升较低,热变形较小,刀具的耐用度提高等。高速切削不仅大幅度提高了单位时间材料切除率,而且还会带来一系列的其他优良特性。例如,利用在高速切削状 态下径向切削力小、工件温升低等特点,可以用高速加工方法来加工薄壁类零件、对温度敏感的零件和难加工材料等。因此,高速切削的速度范围应该定义在这样一 个给切削加工带来一系列优点的区域。这个切削速度区域比传统的切削速度高得多,因此也称超高速切削。2高速切削刀具高速切削技术的发展过程中,刀具技术起 到了非常关键的作用。高速切削技术发展的一个重要障碍就是刀具材料的耐高温和耐磨损问题。在近几十年的发展历程中,高速切削机床、高速刀具系统和高速切削 工艺是高速切削的三项主要技术,高速切削刀具材料和刀具制造技术都发生了巨大的变化,新材料、新工艺不断出现,刀具材料也由早期的高速钢、硬质合金发展到 陶瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具。为了提高刀具的综合性能,发展了刀具镀层技术和烧结压层技术。高速切削对刀具的性能不断提出新的要求,而刀具技术的发 展,又有力地促进了高速切削技术的发展和应用。刀具作为高速切削的切削工具,是高速切削推广应用中的一个关键问题。刀具材料的迅速发展是高速切削得以实施 的工艺基础。刀具性能和质量对高速切削加工具有重大影响 ,采用新型刀具材料可使切削加工速度大大提高,从而提高生产率,延长刀具寿命。目前用于高速切削加工常用的刀具材料有以下几种,硬质合金及其涂层刀具、陶 瓷刀具、立方氮化硼(CBN) ,聚晶立方氮化硼(PCBH),超硬材料金刚石,聚晶金刚石和金刚石涂层刀片等。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要 包括高耐磨性TiC基硬质合金 (TIC+Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC+TaC+WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金 (TiCN+NbC)等。金屑陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。高速切削对刀具结构提出了新的要求。高速切削时, 旋转类的刀具(如铣刀、镗刀)在高速旋转时会受到很大的离心力作用 ,会造成刀体的破碎。因此要求设计十分可靠的刀体结构和刀片夹紧结构。同时对高速回转刀具还应考虑刀具的动平衡。否则由于刀具回转的不平衡所引起的工艺系 统振动必然会影响已加工表面的质量和刀具寿命。在高速切削刀具技术中,除了合理选用刀具材料外,还必须解决刀具几何参数, 刀体材料与结构,刀片夹紧结构,刀具与机床连接装夹方式,高速主轴中刀具夹紧措施,以及回转刀具的动平衡等问题,一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具前 角约小10度而后角约大5～8 度。刀尖角亦应适当增大,刀具切削部分应短些。刀柄的研究也是高速切削刀具技术中的一个重要分支,高速切削过程中,随着刀具的高速旋转,刀柄的开口由于离 心力的作用会产生扩张,从而引起刀具的定位精度和连接刚性下降,为此,德国开发出HSK(短锥空心柄)刀柄,HSK连接具有接触刚度高、夹紧可靠、重复定 位精度高等优点,特别适合于高速主轴。高速切削刀柄结构要求几何精度和装夹重复精度高,装夹刚度高,一般采用HSK标准空心短刀柄代替传统的7:24锥 柄。3高速铣削刀具高速铣削的刀具与常规铣削刀具有较大的区别,有其特殊的要求,必须专门设计。高速铣削刀具必须高度旋转对称,具有高度的动平衡性,以免 在铣削过程中产生跳动,使切削刃上负荷平衡,减少切削力的波动。为了切削过程的平稳,还应采用多切削刃或大螺旋角的刀具。切削刃的几何形状应充分考虑高速 铣削切屑形成的不同特点。刀具应有较大的排屑槽以利排屑,特别是切削轻金属如铝合金的刀具,排屑槽磨制时应避免应力集中图1高速切削的可转位铣刀的产生。 因切削速度高、刀具所受热负荷大、易磨损,刀具尤其是切削钢材的刀具应选用高耐磨、高耐热、高硬度、韧性好的材料。还可在刀具表面采取适当的涂层来提高刀 具的性能。对于组合刀具,结构设计应充分考虑切削时的高转速,压块、螺钉、销等必须可靠地紧固,以防在高离心力的作用下产生松动。高速铣削时应根据被加工 的材料的性质、进给、刀具材料等合理地选择切削刃的几何形状,以获得稳定的切削刃口。因高速切削时,刀具上的温度高,是常常须加工淬火钢等硬质材料, 因此常采用硬度高、耐热性好,但较脆的刀具材料,所以刀具的楔口必须厚实,有时甚至采用负前角以提高切削刃口的稳定性。因切削速度高,刀具与工件的摩擦热 大.刀具的后角不能太小,以免进一步增加摩擦热。4高速切削可转位面铣刀的结构根据铣刀安全性要求,用于高速切削(n>6 000r/min)的可转位面铣刀,通常不允许采用摩擦力夹紧方式,而必须采用带中心孔的刀片,用螺钉夹紧。与安全性有关的刀片结构参数包括刀片中心孔相 对螺钉孔的偏心量、刀片中心孔和螺钉的形状等,这些参数决定了螺钉在静止状态下夹紧刀片时应受预应力的大小。如预应力过大 ,有可能使螺钉发生变形,降低夹紧系统失效转速。刀具夹紧方式也可采用带卡位的空刀槽,以保证刀具的精确定位和高速旋转时的可靠联接。另外,刀片、刀座夹 紧力方向最好与离心力方向一致。夹紧刀片时应施加规定的扭矩,并使用合格的夹紧螺钉,螺钉拧人前应涂敷润滑剂,以减少夹紧扭矩的损失,此外,螺钉必须定期 检查和更换。从安全性考虑,刀体的设计应减轻质量,减小直径 ,增加高度,选用比重轻、强度高的材料,目前,有的高速铣刀已采用高强度铝合金制造刀体。刀体上的槽(刀片槽、容屑槽、键槽等)会引起应力集中,降低刀体 强度,因此铣刀结构应尽量避免采用贯通式刀槽,减少尖角,防止应力集中。同时,还应减少机夹零件的数量;刀体结构应对称于回转轴,使其重心通过铣刀轴线; 对于不等分齿铣刀,应对刀体的质量分布作相应调整,使刀体膨胀比较均匀;刀片和刀座的夹紧、调整机构应尽可能消除游隙,且应保证良好的重复定位性。5高速 切削可转位铣刀的设计我们设计了用于高速切削的可转位铣刀。如图1所示。可转位铣刀采用的刀片切向排列,切削力方向刀片的厚度尺寸增大,切削刃的受力情况 改善,这样切削刃的强度和刚性大大提高,可以使每齿铣削量及切深相应提高,铣刀刀片不易崩刃,提高了铣刀的寿命;铣刀的刀片采用切削力夹紧,随着切削力的 增大夹紧力也增大,夹紧可靠。由于采用切削力夹紧方式,节省了元件;使排屑槽空间增大,排屑性能得到改善,结构简单紧凑。刀片用一个螺钉固定在刀槽上 ,转位方便;铣刀的刀体采用优质合金结构钢,并经过热处理及表面处理使铣刀刀体具有足够的强度及硬度;刀片材质采用金属基陶瓷刀片。我们在设计中,考虑到 高速铣削的刀具高速旋转,可转位铣刀刀片对称分布,具有动平衡性,以免在铣削过程中产生跳动,减少切削力的波动。刀具设计有较大的排屑槽,以利排屑。因切 削速度高、刀具所受热负荷大、易磨损,刀具尤其是切削钢材的刀具应选用高耐磨、高耐热、高硬度、韧性好的材料,Ti(C,N)基的金属陶瓷,有高硬度、耐 磨性能强、抗弯强度高的特点,特别是抗韧性较好,能抗氧化、抗粘刀性能强,其功能已覆盖了硬质合金WC基和TiC基的大部分使用范围。由于Ti(C,N) 金属陶瓷具有这些优越的性能 ,我们采用此种材料作为刀具材质,提高刀具的性能。选择切削刃的几何形状,采用负前角以提高切削刃口的稳定性。结构设计充分考虑切削时的高转速,螺钉、销 等必须可靠地紧固在刀体上。6结语高速切削技术是一种先进制造技术,具有广阔的应用前景,全面推广应用将对机械制造行业产生重要而深远的影响。

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当 前机械制造业为实现高生产率和追求利润 ,先进制造技术的应用越来越广泛而深入。超高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分 ,也已被积极地推广使用。 2 0世纪 2 0年代德国人Saloman最早提出高速加工 (HighSpeedCutting,简称HSC)的概念 ,并于 1931年申请了专利。 5 0年代末及 6 0年代初 ,美国和日本开始涉足此领域 ,在此期间德国已针对不同的超高速切削加工过程及有效的机械结构进行了许多基础性研究工作。随着超高速加工主轴技术的发展 ,使得刀具切削速度得到很大提高 ,70年代诞生了第一台HSC机床。真正将HSC技术应用于实践是在 80年代初期 ,因飞机制造业为降低加工时间以及对一些小型特殊零件的薄壁加工而提出了快速铣削的要求。自 80年代中后期以来 ,商品化的超高速切削机床不断出现 ,超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。超高速磨削技术在近 2 0年来也得到长足的发展及应用。德国GuehringAutomation公司在 1983年制造出了当时世界第一台最具威力的 6 0kW强力立方氮化硼 (CBN)砂轮磨床 ,vs 达到 140～ 16 0m s。当今 ,超高速加工已经在汽车、航空航天等领域获得应用。1　超高速加工技术的概念、内容及特点超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具 ,通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。超高速加工是实现高效率制造的核心技术 ,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率。可以说 ,超高速加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效率所必不可少的技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前 ,一般认为 ,超高速加工各种材料的切削速度范围为 :铝合金已超过 16 0 0m min ,铸铁为 15 0 0m min ,超耐热镍合金达 30 0m min ,钛合金达 15 0～ 10 0 0m min ,纤维增强塑料为 2 0 0 0～ 90 0 0m min。各种切削工艺的切速范围为 :车削 70 0～ 70 0 0m min ,铣削 30 0～6 0 0 0m min ,钻削 2 0 0～ 110 0m min ,磨削 2 5 0m s以上等等。超高速加工技术主要包括以下内容〔4 ,5〕:(1)超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超 高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。(2)超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发 ;主轴系统动态特性及热态性研究 ;柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究 ;主轴系统的润滑与冷却技术研究 ;主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究 ;主轴换刀技术研究。(3)超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制 ;精密交流伺服系统及电机的研究 ;系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究 ;机械传动链静、动刚度研究 ;加减速控制技术研究 ;精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。(4 )超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速加工 (包括难加工材料 )用刀具磨具材料及制备技术。(5 )高速CNC控制系统 :超高速加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高功能化特性 ,以保证加工复杂曲面轮廓时 ,具有良好的加工性能。还要具有高速插补及超前处理能力 ,防止刀具轨迹偏移和突发事故。(6 )超高速加工在线检测与控制技术研究。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术 ,对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。超高速加工的优点在于 :①提高加工表面精度 ;②工件热变形小 ;③加工能耗低、节省制造资源 ;④缩短生产工艺流程 ,提高生产效率。2　超高速加工技术现状〔3 ,4〕(1)加工设备方面①高速主轴系统 :高性能的电主轴是实现超高速加工的基础 ,要求具有很高的转速及相应的功率和扭矩。新近开发的加工中心主轴Dn值 (主轴直径与每分钟转速之积 )大都已超过 10 0万。在主轴系统中主要采用重量轻于钢制品的陶瓷球轴承 ,轴承润滑方式大都采用油气混合润滑方式。在高速加工领域 ,目前已开发出空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴合并构成的磁气 空气混合主轴。②高速进给机构 :超高速加工要求进给系统能够完成高速进给运动 ,所用的进给驱动机构通常都为大导程滚珠丝杠或直线电机 ,其最高加速度在 2G以上 ,最高进给速度可超过 16 0m min。③高速切削刀具 :超高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼 (CBN) ,端面铣削使用CBN刀具时 ,其切削速度可高达 5 0 0 0m min。用金刚石刀具端面铣削铝合金时 ,5 0 0 0m min的切削速度已达到实用化水平。CBN和金刚石刀具只能用于一定的加工领域 ,尚不能取得非常理想的降低加工成本的效果。目前 ,涂层技术是一项既能作到价格低廉、性能优异 ,又可有效降低加工成本的技术。现在超高速加工用的立铣刀 ,大都采用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理。如在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时 ,DLC (DiamondLikeCarbon)涂层刀具就受到人们极大的关注 ,预计其市场前景十分可观。④刀具夹持系统 :刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术 ,目前使用最为广泛的是两面夹紧式工具系统。作为商品正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要有 :HSK、KM、Bigplus、NC5、AHO等系统。在高速切削的情况下 ,刀具与夹具回转平衡性能的优劣 ,不仅影响到加工精度和刀具寿命 ,而且也会影响到机床的使用寿命。因此 ,在选择工具系统时 ,应尽量选用平衡性能良好的产品。⑤安全保护措施 :进行高速切削时 ,由于刀具高速回转 ,切屑的速度也相当高。在对钢材或铸件进行高速铣削时 ,其切屑带着火花四处飞溅 ,因此 ,必须采取措施 ,使切屑沿着一定的方向排出。目前 ,三菱综合材料公司已开发出一种”Q -ing铣刀” ,可控制排屑方向 ,大大提高了高速铣削加工的安全性。3　超高速加工今后的发展动向(1)难加工材料的超高速加工难加工材料的使用越来越广泛 ,由于材料的切削加工性能极低 ,导热性差 ,刀具磨损快 ,为此只能采用很低的切削速度。通过深入研究这类材料的切削特性 ,提高刀具稳定性 ,研制新型刀具材料及制作工艺 ,开发出相应的刀具系统 ,将使切削速度范围有较大的提高。(2 )刀具夹紧机构设计对于安装在超高速主轴上的旋转类刀具来说 ,刀具夹紧机构的安全可靠性是至关重要的。在高速端面铣削加工时 ,由于离心力作用 ,可转位刀片有可能被甩出 ,因此 ,应采取相应措施加以预防。最近 ,工具厂家正在开发可转位刀片的新型夹紧装置 ,刀片甩出问题有望得到妥善解决。(3)相关工艺设计主轴加速时间和快速进给的动作时间、ATC时间对整个生产周期均有很大的影响。为了最大限度地发挥设 备的加工能力 ,必须妥善解决包含上述因素的工艺编制问题。由于各类产品从开发到生产的各个环节都将实现高效率化 ,因此 ,应在更短的时间内编制出正确而合理的工艺流程。(4 )节省能源 ,实现绿色加工当前 ,许多机床都配置了高速钻削加工所必需的高压冷却液泵。冷却装置所需电力约占设备运转所需电力的 2 0 %～ 30 %;而生产线上所耗用的能源并不包括此项内容。采用干式切削方式 ,会从根本上改善切削的环境状态 ,节省对切削液的直接投资和废液处理及环保费用。因此 ,希望开发出更加节省能源的机床 ,开发出更加实用的干式切削加工技术。(5 )高精度定位系统采用立铣刀或螺纹刀具加工零部件或加工模具时 ,机床的运动性能将直接影响到其加工精度。因此 ,要求机床在大进给速度条件下 ,应具有高精度定位功能和高精度插补功能。

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车 削加工是机械制造业中最基本、最广泛、最重要的一种工艺方法，它直接影响生产的效率、成本、 能源消耗和环境保护。由于现代科学技术的发展，各种高强度、高硬度的工程材料越来越多地被采用，传统的车削技术难以胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬 度材料的加工，而现代的硬车削技术使之成为可能，并在生产中取得明显效益。１硬车削及其特点１．１硬车削的定义通常所说的硬车削是指把淬硬钢的车削作为最 终加工或精加工的工艺方法，以避免目前普遍采用的磨削技术。淬硬钢通常指淬火后具有马氏体组织，硬度高，强度也高，几乎没有塑性的工件材料。当淬硬钢的硬 度HRC>55时，其强度σb约为２１００～２６００N/mm２。通常，工件在热处理淬硬之前就已完成粗加工工序，只有精加工在淬硬状态下进行。精 磨是精加工最常用的加工工艺，但其加工范围窄、投资大、生产效率低，易造成环境污染，一直困扰着淬硬钢的经济有效加工。随着加工技术的发展，硬车削代替磨 削已成为可能，并在生产中取得明显效益。目前采用多晶立方氮化硼（PCBN）刀具、陶瓷刀具或涂层硬质合金刀具等在车床或车削加工中心上对淬硬钢 （HRC５５～６５）进行切削加工，其加工精度可达５～１０μm，表面粗糙度均方根值平均小于２０μm 。１．２硬车削的特点（１）加工效率高硬车削具有比磨削更高的加工效率，且其所消耗的能量是普通磨削加工的１/５。硬车削往往采用大切削深度、高的工件转 速，其金属切除率通常是磨削加工的３～４倍。车削加工时一次装夹可完成多种表面加工（如车外圆、车内孔、车槽等），而磨削则需要多次安装，因此，其辅助时 间短，加工表面之间位置精度高。（２）硬车削是洁净加工工艺大多数情况下，硬车削无须冷却液。事实上，使用冷却液会给刀具寿命和表面质量带来不利影响。因 为，硬车削是通过使剪切部分的材料退火变软而形成切削的，若冷却率过高，就会减小由切削力而产生的这种效果，从而加大机械磨损，缩短刀具寿命。同时硬车削 可省去与冷却液有关的装置，降低生产成本，简化生产系统，形成的切屑干净清洁，回收处理容易。（３）设备投资少，适合柔性生产要求在生产率相同时，车床投 资是磨床的１/3～1/2，其辅助系统费用也低。对于小批量生产而言，硬车削不需特殊设备，而大批量加工高精度零件则需要刚性好、定位精度和重复定位精度 高的数控机床。车床本身就是一种加工范围广的柔性加工方法，车削装夹快速，采用配有多种刀具转盘或刀库的现代CNC车床很容易实现两种不同工件之间的加工 转换，硬车削尤其适合此类加工。因此，与磨削相比，硬车削能更好地适应柔性化生产要求。（４）硬车削可使零件获得良好的整体加工精度硬车削中生产的大部分 热量被切屑带走，不会产生像磨削加工的表面烧伤和裂纹，具有优良的加工表面质量，有精确的加工圆度，能保证加工表面之间较高的位置精度。２硬车削加工的条 件２．１硬车削的刀具材料及其选用（１）涂层硬质合金涂层硬质合金刀具是在韧性较好的硬质合金刀具上涂覆一层或多层耐磨性好的TiN、TiCN、 TiAlN和Al２O３等，涂层的厚度为２－１８μm，涂层通常起到以下两方面的作用：一方面，它具有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，减弱了刀 具基体的热作用；另一方面，它能够有效地改善切削过程的摩擦和粘附作用，降低切削热的生成。涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比，无论在强度、硬度和耐磨 性方面均有了很大的提高。对于硬度在HRC４５～５５之间的工件的车削，低成本的涂层硬质合金可实现高速车削。近年来，一些厂家靠改进涂层材料与比例的方 法，也使得涂层刀具的性能有极大的提高。如美国、日本一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新涂层专利技术生产的刀片，硬度高达４５００－４９００HV， 在车削温度高达１５００℃～１６００℃时硬度仍然不降低，不氧化，刀片寿命为一般涂层刀片的４倍，而成本只为３０％，且附着力好。它可以在４９８．５６ m/min的速度下加工硬度达４７～５２HRC的模具钢。（２）陶瓷材料陶瓷刀具具有高硬度（９１～９５HRA）、高强度（抗弯强度为 ７５０～１０００MPa）、耐磨性好、化学稳定性好、良好的抗粘结性能、摩擦系数低且价格低廉的特点。使用正常时，耐用度极高，车速可比硬质合金提高 ２～５倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可加工硬度为HRC６２的各类淬硬钢和硬化铸铁。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷 和晶须增韧陶瓷。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷 NX２５２５及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品 CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至１μm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。清华大学 研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也达到了国际先进水平。（３）CBNCBN的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷刀具相比，其耐热性和化学 稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢（HRC５０以上）、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比， 其切削速度甚至可提高一个数量级。CBN含量高的PCBN刀具，硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐 热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合PCBN刀具中CBN颗粒含量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性 低的特点，适用于淬硬钢的切削加工。在切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域，陶瓷刀具和CBN刀具是可同时选择的，因此进行成本效益和加工质量分析非常必要，以 确定哪一种材料更经济。图１为Al２O３、Si３N４和CBN刀具加工灰铸铁后刀面磨损 VB情况，如图所示，PCBN刀具材料切削性能优于Al２O３和Si３N４。淬硬钢的干式切削加工时，Al２O３陶瓷的成本低于PCBN材料，陶瓷刀具具 有良好的热化学稳定性，但却不及PCBN刀具的韧性和硬度。在切削硬度低于HRC６０以下和小进给量情况下的工件时，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具 适合于工件硬度高于HRC６０情况，尤其是对于自动化加工和高精度加工时更为重要。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，PCBN刀具切削后的工件表面残余 应力也比陶瓷刀具相对稳定，如图２所示。使用PCBN刀具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量 使得刃前区金属局部软化，能有效降低PCBN刀具的磨损。此外，在小切深时也应尽可能采用PCBN刀具，因PCBN刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩 散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。２．２刀片结构及几何参数确定刀片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要 的。按刀具强度来说，各种刀片形状的刀尖强度从高往低依次为：圆形、１００°菱形、正方形、８０°菱形、三角形、５５°菱形、３５°菱形。刀片材料选定 后，应尽可能选用强度高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半径刀片粗加工，精加工时的刀尖半径约为０．８～１．２μm。 淬硬钢切屑为红而酥软的锻带状，脆性大，易折断，不粘结，一般在切削表面不产生积屑瘤，加工的表面质量高，但淬硬钢切削力比较大，特别是径向切削力比主切 削力还要大，所以刀具宜采用负前角（γ０≥－５°）和较大的后角（α０＝１０°～１５° ），主偏角取决于机床刚性，一般取４５°～６０°，以减少工件和刀具颤振。２．３切削参数的选择工件材料硬度越高，其切削速度应越小。硬车削精加工的适宜 切削速度为８０～２００m/m in，常用范围为１０～１５０m/min，采用大切深或强烈断续切削高硬度材料，切速应保持在８０～１００m/min。一般情况下，切深为０．１～０． ３mm。加工表面粗糙度要求高时可选小的切削深度，但不能太小，要适宜。进给量通常可以选择０．０５～０．２５mm/r，具体数值视表面粗糙度数值和生产 率要求而定。当表面粗糙度为Ra０．３～０．６μm时，硬车削比磨削经济的多。２．４对工艺系统的要求除选择合理的刀具外，硬车削对车床或车削中心并无特 殊要求，若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于淬硬钢的加工。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法 是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。不过人们普遍认为，硬车削需要高刚性的车床，即硬车削的关键是机床具有足够的刚性，同时刀具、工件、夹紧装置结构紧凑 且具有同等的刚性。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋转可以保持相当平稳，现有的设备就可以用于硬车削。３硬车削技术的应用硬车削技术经过十年的发展 及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面举例说明硬车削技术在轧辊加工等行业生产中的推广应用情况。３．１轧辊加工行业国内十几家大型轧辊企业 已使用硬车削技术对冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车等切削加工，均取得了良好的效益。平均提高加工效率２～６倍，节约加工工时和电力 ５０％～８０％。如在武汉钢铁公司轧辊厂，对硬度为HS６０～８０的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时，切削速度提高了３倍，每车一根轧辊，节约电力、工时费 ４００多元，节约刀具费近１００元，取得了巨大的经济效益。如我校机电实验中心，用FD２２金属陶瓷刀具车削HRC５８～６３的８６CrMoV７淬硬钢轧 辊时（v＝６０m/min，f＝０．２mm/r，ap＝０．８mm）单刃连续切削轧辊路径达１５０００m（VCmax＝０．２mm），满足了以精车代磨削 的要求。３．２工业泵加工行业目前国内碴浆泵生产厂的７０％～８０％已采用硬车削技术。

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高 温合金是指以镍、钴、钛等为基，能在６００°c 以上的高温及一定应力作用下长期工作的 一类金属材料。随着冶金技术的不断发展，使高温合金的综合性能得以进一步提高，具有更高的强度、硬度、抗氧化、抗腐蚀能力。同时也增加了这些金属的加工难 度。２高温合金加工特点对于镍合金、钛合金以及钴合金等高温合金来说，耐高温的特性直接提高了加工难度。在加工时的重切削力和产生的高温共同作用下，使刀 具产生碎片或变形，进而导致刀具断裂。此外，大多数此类合金都会迅速产生加工硬化现象。工件在加工时产生的硬化表面会导致刀具切削刃在切深处产生缺口，并 使工件产生不良应力，破坏加工零件的几何精度。加工钛合金同样面临这些问题。尽管加工钛合金所需的切削力只比钢稍微高一点，但由于钛合金的特殊性能，使加 工它比加工同等硬度的钢要困难得多。主要有以下几点：１〕钛合金和其它高温合金一样，也容易产生加工硬化；２〕钛基合金导热能力很低，使加工时产生的所有 热量几乎都集中在切削刃上；３〕钛合金的弹性模量很小，尤其是在重切力削时，使工件容易受刀具偏移和震动的影响；４〕最严重的是钛合金比其它高温合金化学 性能都要活泼，这一点使钛合金工件在加工时很容易与刀具发生化学反应，从而导致工件产生缩孔。因为以上原因，加工耐高温合金需要特殊的加工技术，以下介绍 一些加工工艺注意事项。３工艺方法（１）尽量在硬化期前加工合金许多类镍合金和钛合金都有硬化期，这意味着合金的硬度在热处理后急剧上升，使晶相排列发生 变化，强度提高，研磨性提高，因而加工难度也就增大，因此，我们应该在合金硬度较小的阶段加工，典型方法是：最好在固融退火条件下将工件加工到接近最终尺 寸，然后再热处理强化，在硬化期后，如果表面精度已经达到要求，只需要进行最后的精整工序。（２）使用锋利的锐角切刃的刀具同样的原因，轻微磨过的切刃或 者锋利的锐角切刃提高加工效率。钝角刀刃会导致切削力增加、积屑、材料撕裂、变形、使表面精度降低。因为锐角刀刃强度较低，较易发生崩刃，所以在对表面要 求较低的粗加工中，应该使用轻微磨过的切刃，锐角刀刃则用于精加工。（３）使用强度高的几何外形的刀具只要加工要求允许，就应该尽可能使用刀尖半径较大的 刀具。较大的刀尖半径，可以使更多的刀刃投入切削，减小了每一点的受力，从而可以避免由于局部应力集中而导致的刀具断裂。（４）采取提高钢度措施的刀具加 工过程中，刀具振动会影响工件表面精度和刀具寿命，而提高刀具钢度可以减少振动，同时钢度提高也有利于保证严格的公差要求。（５）防止工件偏移钛合金的柔 韧性相对较大，因此需要采取一些特殊措施防止工件的移动。比如使用填充金属或者特殊的夹具。（６）在钻削加工中，采用较大的导程角大的导程角有助于尽量减 少刀具缺口，特别是在切削深度线位置，由于有更多的刀刃参加了切削，刀具损坏的可能性也就相应降低。（７）当走刀次取大于１时，改变切削深度切削深度线位 置的缺口是由于工件表面引起的，在重复的走刀路径上使用不同的切削深度，工件的材料就可以接触到刀刃的不同部位，从而分散了损坏的可能性。４切削刀具目前 用来加工高温合金刀具种类很多。主要有：（１）金刚石刀具和CBN刀具在加工高硬度合金（包括超耐热合金）时，经常要使用CBN刀具。比如，在对 Lnconel７１８进行精加工或半精加工时，使用CBN刀具效果很好。尽管CBN的价格相对较高，但是它们提高的耐磨性是物有所值的。CNN刀具的高硬 度和高熔点使它可以承受住加工时产生的高温高压，保证切削刃的锋利。（２）陶瓷刀具普通的陶瓷刀具，氯化硅刀具、氧化铝刀具都能够用来加工耐高温合金。由 于陶瓷刀具对已加工表面产生不良影响，陶瓷刀具一般只能用于粗加工。不过，一些硬度高的陶瓷刀具可以用于半精加工。AL２O３—TiC硬陶瓷刀具可以承受 很高的加工速度。但是这种材料的刀具更易于产生切削深度线处的缺口和碎片，尤其是在加工表面带有砂垢的铸件时，更容易产生这种现象。氯化硅、硅铝氧氮聚合 材料及碳化硅陶瓷刀具强度较高，不至于产生切深线处缺口和刀刃碎片现象。但硬度还是比较低而且化学性能比较活泼。如果使用硅铝氧氮聚合材料及碳化硅陶瓷刀 具的话，切削速度可以提高５００sfm，而使用AL２ O３—TiC陶瓷刀具则可以将切削速度提高到８２０sfm。钛合金的粗加工也用到陶瓷刀具，使用它们来代替烧结的硬质合金刀，允许将速度提高７５％。 （３）涂层硬质合金刀具通过化学汽相沉积（CVD）或物理汽相沉积（PVD）处理的涂层刀具应用越来越广。CVD涂层刀具用于加工几种硬度相对较低的铁 基、镍基超耐热合金，比如：Monels、Inconel６００和 Inconel６２５合金。通常钛基涂层效果很好，如氯化钛和碳化钛涂层，但是在合金极其活泼的特殊环境中，铝２０３涂层刀具是最佳选择。这类刀具的基础 层金属强度很高，可以防止出现缺口和崩刀，一般来说CVD涂层刀具主要用于化学性质较活泼的金属。然而加工钛合金和超耐热合金更常用PVD涂层刀具。 PVD涂层比较薄而且光滑，它们附着在硬质合金上同时还会产生一种残余应力，这种应力有利于提高刀具的抗破坏性能。较CDV刀具、PVD更加紧密的贴于刀 具上，更有利保持锋利的切削刃外形。这意味着PVD涂层刀具程度天生就比CDV刀具更高。PV D刀具抗磨性好，化学性质稳定，不易产生积屑瘤。由于以前存在的适应性以及标准化问题已经得到解决。使用最多的PVD刀具，采用超细颗粒基层金属可以防止 变形，并能提高强度和韧性。涂层材料首选氧化钛。其它的涂层材料在不同的应用中都有各自不同的优势，氮碳化钛涂层可以延长刀具的寿命。这些刀具的允许切削 速度据实际情况而定，对镍基或钴基合金等切削难度最大的金属进行粗加工时，切削速度最低为５０sfm。对低硬度合金进行精加工时切削速度较高，为５００ sfm。加工钛合金时甚至高达６００sfm。（４）无涂层硬质合金刀具硬质合金仍然是最常用的刀具材料，含钴量６％刀具用于粗加工，含钴６％的超细颗粒刀 具用于半精加工和精加工。对于超负荷粗加工，则要使用含钴量为１０％的刀具。硬质合金刀具的正前面刀刃更适合于降低切削力，抗变形能力差，所以一般很少使 用高速钢刀具来加工高熔点高硬度合金。不过，在一些加工条件极其恶劣的特殊情况下使用它们，效果也会不错。５结束语本文对高温合金、特别是钛合金的特性 和加工性能进行分析和论证。

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高 锰钢的种类锰含量在 11%～ 18%的钢称高锰钢。高锰钢分为高碳高锰耐磨钢、中碳高锰无磁钢、低碳高锰不锈钢及高锰耐热钢。ＺＧＭｎ13是一种高锰钢 ,因其在承受外来的强大压力或冲击产生变形硬化后 ,显示出极高的耐磨性能而广泛应用于工程机械和矿山机械中。同时 ,它也是一种典型的难加工材料 ,其切削加工性能在高锰钢中很具有代表性。1 2　高锰钢的性能( 1)高锰钢是一种耐磨钢 ,经过水韧处理的高锰钢可以得到较高的塑性和冲击韧性。( 2 )高锰钢具有很高的耐磨性。2　ＺＧＭｎ13高锰钢的切削加工特点( 1)加工硬化严重。( 2 )切削温度高。( 3)切削力大。( 4 )断屑困难。( 5 )尺寸精度不易控制。3　切削高锰钢的合理方法3 1　通过热处理改善高锰钢的切削性能改善高锰钢的切削性能可以通过高温回火来实现。将高锰钢加热 60 0～ 65 0℃ ,保温 2ｈ后冷却 ,使高锰钢的奥氏体组织转变为索氏体组织 ,其加工硬化程度显著降低 ,加工性能明显改善。加工完成的零件在使用前应进行淬火处理 ,使其内部组织重新转变为单一的奥氏体组织。3 2　合理选择刀具材料( 1)采用硬质合金刀片常用牌号有 :ＹＧ8、ＹＧ6Ａ、ＹＧ6Ｘ、ＹＧ8Ｎ、ＹＷ1、ＹＷ 2Ａ、ＹＷ 3、ＹＣ4 5、767、798、813等。虽然ＹＧ类硬质合金较为常用 ,但其不适于高速切削。因为高速切削钢料时 ,切削时的高温将使刀具前刀面上形成强烈的月牙洼磨损 ,并加速后刀面磨损 ,刀具耐用度降低。在切削速度较高且切削过程较平稳的情况下可考虑选用ＹＴ类硬质合金。ＹＧ类硬质合金中添加适量的ＴａＣ或ＮｂＣ(一般为 0 5 %～ 3% ) ,可提高其硬度和耐磨性而不降低其韧性。随着硬质合金中含钴量的增加 ,这些优点更为显著。因此 ,以ＴａＣ和ＮｂＣ为添加剂的通用型硬质合金也适用于高锰钢的切削加工。( 2 )采用金属陶瓷刀片采用金属陶瓷刀片进行高锰钢的精车、半精车 ,可选用较高的切削速度 ,加工表面质量好 ,刀具耐用度高。如采用Ａ12 0 3基陶瓷刀具切削高锰钢 ,比用硬质合金刀具效率提高 1～ 4倍。( 3)采用ＣＮ2 5涂层刀片和ＣＢＮ(立方氮化硼 )刀具在使用ＣＢＮ刀具时应注意被切削材料含锰量不能高于 14% ,否则 ,ＣＢＮ可能与Ｍｎ元素产生化学反应使刀具磨损严重 ,切削性能下降。3 3　合理选用刀具几何参数( 1)前角与后角采用硬质合金刀具时 ,γ0 =- 3～ 3° ,α0 =8～12° ;采用陶瓷刀具时 ,γ0 =- 5～ - 10° ,α0 =5～ 10°。粗车时取小值 ,精车时取大值。( 2 )主偏角与副偏角采用硬质合金刀具时 ,一般取ｋｒ=2 5～ 4 5° ,ｋｒ′=10～ 2 0°。工艺系统刚性好时取小值 ,反之可适当增大主偏角和副偏角 ;采用陶瓷刀具 ,主偏角还可大些 ,一般取ｋｒ=4 5～ 60° ,精车时可取ｋｒ=60～ 90°。( 3)刃倾角采用硬质合金刀具 ,λｓ=- 5～ 0° ;采用陶瓷刀具时 ,λｓ=- 10～ - 5°。( 4 )刀尖圆弧半径一般粗车时ｒ =1～ 2ｍｍ ;半精车时ｒ =0 5～ 1ｍｍ ;精车时ｒ=0 2～ 0 5ｍｍ。工艺系统刚性好时取大值 ,反之取小值。3 4　合理选择切削用量切削高锰钢时 ,切削速度不宜高。采用硬质合金刀具时 ,ｖｃ=2 0～ 4 0ｍ/ｍｉｎ ,其中 ,较低的速度用于粗车 ,较高的速度用于半精车和精车。采用陶瓷刀具时 ,可以选用较高的切削速度 ,一般ｖｃ=5 0～ 80ｍ/ｍｉｎ。高锰钢在切削过程中 ,由于塑性变形和切削力的影响 ,切削层及表层下一定深度范围内会产生严重的加工硬化现象。因此应选择较大的切削深度和进给量。一般粗车时ａｐ=3～ 6ｍｍ ,ｆ =0 3～ 0 8ｍｍ/ｒ ;大件粗车时可取ａｐ=6～ 10ｍｍ ;半精车时ａｐ=1～ 3ｍｍ ;ｆ=0 2～ 0 4ｍｍ/ｒ;精车时ａｐ≤ 1ｍｍ ;ｆ≤ 0 2ｍｍ/ｒ。4　钻削ＺＧＭｎ13高锰钢应注意的问题ＺＧＭｎ13高锰钢应用广泛 ,其锰含量高达 11%～ 14%。经水韧处理后 ,在受到剧烈冲击压力时 ,会产生很强的硬化现象 ,硬度可达ＨＢ4 5 0～ 5 5 0 ,硬化层深度达 0 3ｍｍ左右 ,加之导热系数很低 ,给切削带来很大困难。尤其在钻削时 ,刀具磨损严重 ,耐用度降低。因此 ,常用硬质合金群钻钻削ＺＧＭｎ13高锰钢。钻削时应注意以下问题 :( 1)合理设计切削部分参数常用硬质合金群钻的本体为 4 0Ｃｒ制造 ,切削部分为ＹＧ8或ＹＷ硬质合金。切削部分的形状与铸铁群钻近似 ,将钻尖高加大到 0 0 8Ｄ(Ｄ为钻头直径 ) ,圆弧刃的圆弧半径加大到 0 4Ｄ ,以提高刀尖强度 ,改善散热条件起到分屑作用。同时 ,在外缘处磨出双重锋角 ,并磨出负前角 ,把外缘处后角加大到2 0°。钻头磨好后 ,要用油石仔细鐾研刃口 ,不能有锯齿。( 2 )合理选择切削用量切削速度太低或进给量太大 ,会使切削力增加 ,容易造成崩刃。取ｖｃ=30～ 4 0ｍ/ｍｉｎ ,ｆ=0 0 7～ 0 1ｍｍ/ｒ比较合适。( 3)要充分使用冷却液高锰钢的线膨胀系数大 ,钻孔时使用切削液要充分 ,有条件的可将工件浸在冷却液中钻孔 ,以防止因孔的收缩将钻头咬死损坏。( 4 )严格控制钻头磨钝标准钻削过程中如听到刺耳的尖叫声或发现钻头外缘转角处后角和棱边磨损约 1ｍｍ时 ,应及时将钻头重磨 ,否则继续使用将加快钻头磨损以至损坏。( 5 )严禁中途停车钻削时应采用自动进给 ,尽量不用手动进给 ,以免加重硬化现象 ,使钻削更加困难。同时 ,严禁中途停车 ,以防切削力过大造成“闷车” ,使钻头崩碎。( 6)机床状态良好硬质合金群钻钻削高锰钢时 ,要求机床刚性好、振动小。硬质合金的韧性比高速钢低得多 ,强烈的振动和切削时的高温 ,会加快钻头磨损 ,造成崩刃或开焊。5　高锰钢切削方法的新进展同其他难加工材料一样 ,高锰钢的切削加工也得到了广泛深入的研究 ,近些年来取得了一些成果。行之有效的方法主要有以下几种 :( 1)加热切削法加热切削是把工件的整体或局部通过各种方式加热到一定温度后再进行切削加工的一种方法。其目的就是通过加热来软化工件材料 ,使工件材料的硬度、强度有所下降 ,易于产生塑性变形 ,减小切削力 ,提高刀具耐用度和生产率。同时 ,改变切屑形态 ,减小振动 ,减小表面粗糙度值。实验证明 ,用等离子加热车削高锰钢ＺＧＭｎ13,刀具耐用度明显提高 ,换刀次数显著减少 ,效率提高 5倍左右 ;加工后表面金相组织无变化 ,也无加工硬化。( 2 )磁化切削法磁化切削是使刀具或工件或两者同时在磁化条件下进行的切削方法。既可将磁化线圈绕于工件或刀具上 ,在切削过程中给线圈通电使其磁化 ,也可直接使用经过磁化处理的刀具进行切削。实验表明 ,磁化切削可使工件表面粗糙度值减小 ,刀具耐用度明显提高。据资料介绍 ,美国已开发成功交流脉冲磁化机 ,可磁化高速钢刀具、硬质合金刀具等 ,分别用于车削、铣削、刨削等。在车削中 ,因刀具材料与工件材料的不同 ,可提高效率在 4 0 %～ 30 0 %。( 3)低温切削法低温切削是指用液氮 ( - 186℃ )、液体ＣＯ2( - 76℃ )及其他低温液体切削液 ,在切削过程中冷却刀具或工件 ,以保证切削过程顺利进行。这种切削方法可有效控制切削温度 ,减少刀具磨损 ,提高刀具耐用度 ,提高加工精度、表面质量和生产率。近年来 ,低温切削技术在国外得到较大发展 ,国内也正积极研究。难加工材料采用低温切削工艺的经济性和必要性主要取决于工件本身的价值和常温传统切削加工的成本 ,要综合考虑采用低温切削是否经济可行。