干式條件下切削淬硬模具鋼的工藝探討

［摘 要］對高硬度淬硬模具鋼進(jìn)行干式切削不但能使加工周期大為縮短，而且加工質(zhì)量得到了可靠保證，但是在切削加工時(shí)存在著很多工藝問題需要從刀具技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工工藝參數(shù)選擇等方面解決問題。

［關(guān)鍵詞］干式切削 模具鋼 涂層

［中圖分類號］TG760.6 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］1009－5489(2008)11－0239－02

干式切削是一種在加工過程中不使用切削液的加工方法。干式切削不是簡單地停止使用切削液，而是要在停止或極少使用切削液的同時(shí)，保證高效率、高產(chǎn)品質(zhì)量、高的刀具耐用度以及切削過程的可靠性。干式加工與濕式加工相比，不但提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，而且有利于環(huán)保，是一種理想的、清潔的金屬切削加工方法。21世紀(jì)的制造業(yè)對綠色環(huán)保的要求越來越高，干切削技術(shù)作為一種綠色制造工藝必將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

制造模具的材料通常是一些淬硬了的高硬度、高強(qiáng)度的難加工材料，長期以來，人們較多采用磨削或者電火花加工(EDM)的方法實(shí)現(xiàn)對模具的加工。雖然電火花加工具有與工件硬度無關(guān)的工藝特點(diǎn)，但較低的材料去除率使它的應(yīng)用范圍受到限制。隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，以銑代磨、以銑代EDM等針對高硬度模具鋼進(jìn)行的高效、經(jīng)濟(jì)的加工已成為可能。

對淬硬模具鋼進(jìn)行高效干式切削雖然能使加工周期大為縮短，而且加工質(zhì)量得到了可靠保證，但是由于淬硬鋼本身硬度很高，對其進(jìn)行干式切削加工時(shí)存在著由于切削溫度和切削力過高引起的諸多問題，如較差的表面質(zhì)量、較低的刀具壽命等，因此對切削工藝要求極其嚴(yán)格。本文針對上述問題的解決從刀具技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工工藝參數(shù)選擇等方面加以闡述。

一、刀具技術(shù)

1.刀具幾何參數(shù)的確定

干式切削刀具因?yàn)榧庸ぶ袥]有切削液，刀具和切屑接觸區(qū)域的溫度升高，所以通常以月牙洼磨損為主要失效原因。實(shí)驗(yàn)表明，淬硬模具鋼切屑為紅而酥軟的鍛帶狀，脆性大，易折斷，不粘結(jié)，一般在切削表面不產(chǎn)生積屑瘤，加工的表面質(zhì)量高，但淬硬模具鋼切削力比較大，特別是徑向切削力比主切削力還要大，所以刀具宜采用負(fù)刃傾角(λ_s≥-5°)和較大的前角(γ_o≥15°)，后角(α_o=10～15°)，主偏角取決于機(jī)床剛性，一般取45～60°，以減少工件和刀具的振顫。但前角增大后，刀刃強(qiáng)度會受影響，此時(shí)應(yīng)配以適宜的負(fù)倒棱，這樣使刀尖和刃口會有足夠體積的材料和較合理的方式承受切削熱和切削力，同時(shí)減輕了沖擊和月牙洼擴(kuò)展對刀具的不利影響，使刀尖和刃口可在較長的切削時(shí)間里保持足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

近幾年來，國外開發(fā)了許多大前角車削刀片和帶正前角的螺旋形刀刃銑削刀片(這種刀片沿切削刃幾乎有恒定不變的前角，背前角可由負(fù)變正或由小變大)，旨在減少機(jī)床的驅(qū)動功率，并通過減小切削力，降低切削溫度來滿足干切削時(shí)對刀具的要求。

日本三菱金屬公司開發(fā)出一種適用于干式切削的“回轉(zhuǎn)型車刀”，該刀具采用圓形超硬刀片，刀片的支持部分裝有軸承，在加工中刀片能自動回轉(zhuǎn)，使切削刃始終保持鋒利，具有工效高、加工質(zhì)量好、刀具壽命長等特點(diǎn)。

2.刀具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施

傳統(tǒng)的刀具刀體散熱條件差，熱量不能迅速散發(fā)出去，采用一種熱管式刀具可以獲得較理想的干式切削效果。圖1所示為熱管式車刀，其他刀體結(jié)構(gòu)可參考。它們的結(jié)構(gòu)與普通車刀基本相同，所不同的是在刀桿體內(nèi)部制成了熱管。熱管內(nèi)的工作介質(zhì)一般為丙酮、乙醇和蒸餾水三種。熱管是一種高效的傳熱元件，它利用的是沸騰吸熱和冷凝放熱這兩個最強(qiáng)的傳熱機(jī)理，熱管的熱導(dǎo)率相當(dāng)于銀、銅棒等良導(dǎo)體的幾百倍。而且熱管刀具是一種自冷卻刀具，無需再從外部澆注切削液，尤其適合于在數(shù)控機(jī)床、加工中心和自動生產(chǎn)線上切削加工。

3.采用涂層技術(shù)

對刀具進(jìn)行涂層處理，是提高刀具性能的重要途徑。近十年來，刀具涂層技術(shù)發(fā)展非常迅速，涂層材料多達(dá)15種，有的刀具在刀體上的涂層多達(dá)13層。涂層工藝也越來越成熟，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已解決了涂層與基體材料結(jié)合強(qiáng)度低的技術(shù)難題。目前國內(nèi)廠家最新采用陰極大平面矩形靶沉積技術(shù)，輔以特殊的涂前預(yù)處理技術(shù)，在傳統(tǒng)TiAlN工藝基礎(chǔ)上優(yōu)化涂層梯度結(jié)構(gòu)，大大提高涂層結(jié)合力與涂層韌性，已經(jīng)開發(fā)出了專用于高速切削高硬度材料的新型硬質(zhì)合金刀具涂層。該涂層具有高顯微硬度(≥HV3500)、低切削阻力、良好的抗高溫(≥900℃)與摩擦磨損等性能。此外對于刀具涂層來說，需要能夠?qū)ιa(chǎn)條件進(jìn)行正確匹配，如果不考慮這一點(diǎn)，一味地使用超高性能涂層刀具，效果反而適得其反，不僅增加成本而且降低穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。

切削模具鋼的刀具涂層的另一趨勢是工藝組合的多樣化。目前單一涂層無法適應(yīng)現(xiàn)代切削加工中日趨復(fù)雜的工況和服役條件，為此，涂層多樣化的工藝組合便應(yīng)運(yùn)而生。多層膜是一種金屬或合金沉積在另一種金屬或合金上形成的成分或結(jié)構(gòu)周期性變化的膜層結(jié)構(gòu)，每相鄰兩層形成一個周期，各層金屬和合金成分、厚度以及周期數(shù)均可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，另外如CVD與PVD的工藝組合，預(yù)氮化(離子氮化)和PVD的組合工藝等均已獲得良好效果并已投入生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)梯度涂層和納米膜層復(fù)合工藝等亦已普遍應(yīng)用。

二、機(jī)床結(jié)構(gòu)

干式切削機(jī)床要求應(yīng)具有高速、高剛性、高響應(yīng)等特點(diǎn)，所以機(jī)床的床身等支撐部件都采用高質(zhì)量、高剛性和高抗張性的材料，如高阻尼特性的聚合物混凝土，其抗振性和熱穩(wěn)定性保證了機(jī)床的精度穩(wěn)定，可防止切削時(shí)刀具的振顫，并且采用封閉式床身設(shè)計(jì)，整體制造，以增強(qiáng)高速加工中的耐沖擊性，確保高的結(jié)構(gòu)剛性，從而大大地提高了被加工工件的表面質(zhì)量。切削時(shí)一般采用油/氣冷卻潤滑的干式切削方式，這種方式可以用高壓氣體迅速吹走切削區(qū)所產(chǎn)生的切屑，從而帶走大量的切削熱，同時(shí)經(jīng)霧化的潤滑油可以在刀具刃部和工件表面形成一層極薄的微觀保護(hù)膜，起到潤滑和減少摩擦的作用，可有效地延長刀具壽命并降低零件的表面粗糙度值。

三、加工工藝參數(shù)合理選擇

淬硬模具材料硬度越高，其切削速度應(yīng)越小。使用干式切削刀具進(jìn)行切削精加工的適宜切削速度范圍為80～200m/min，常用范圍為100～150m/min。采用大切深，或強(qiáng)烈斷續(xù)粗加工切削時(shí)，切削速度應(yīng)保持在80～100m/min。一般情況下，背吃刀量為0.1～0.3mm之間。加工表面粗糙度要求高時(shí)可選小的切削深度，但不能太小，要適宜。進(jìn)給量通常可以選擇0.05～0.25mm/r之間，具體數(shù)值視表面粗糙度數(shù)值和生產(chǎn)率要求而定。當(dāng)表面粗糙度為Ra0.6～0.8μm，采用干式切削刀具要比磨削經(jīng)濟(jì)得多。

進(jìn)給量對刀具破損的影響比切削速度大，選取較小的進(jìn)給量，有利于防止或減少刀具的破損。因此，對干式切削刀具應(yīng)選用較小的進(jìn)給量和盡可能高的切削速度。采用小吃刀量、大切削速度的方式，在粗加工和半精加工中，加工余量很少而且均勻，有利于提高表面光潔程度。

對于硬度高和不規(guī)則的工件，由于干式切削刀具較脆、怕沖擊，刀具從工件端面切入、切出時(shí)，尤其表面有凹凸不平，最易發(fā)生沖擊，刃口破裂，使耐用度降低。所以在使用干式切削刀具前，最好在工件切入切出端先倒角，以減小刀具沖擊力。毛坯切入處的倒角，可避免刀具剛接觸工件時(shí)，承受過大的沖擊載荷。毛坯切出處的倒角，主要是為避免刀具切離零件時(shí)被留下的一圈料邊打壞。

四、結(jié)論

干式切削模具鋼等高強(qiáng)度、高硬度零件技術(shù)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，需要從刀具技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)和工藝過程等各方面采取一系列的措施。隨著機(jī)床技術(shù)和各種超硬耐高溫刀具材料及其涂層技術(shù)的迅猛發(fā)展以及相關(guān)工藝研究的深人，干式切削技術(shù)必將在金屬切削領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

［參考文獻(xiàn)］

［1］王魄：《干式切削技術(shù)在銑削加工中的應(yīng)用》，《機(jī)械工程師》2002年6月。

［2］張書橋：《干式切削加工技術(shù)及其應(yīng)用》，《工具技術(shù)》2002年2月。

［3］馬曉云：《淬硬模具鋼SKD61的高速銑削加工研究》，《機(jī)械工程材料》2004年6月。

［4］汪溪：《高速加工淬硬模具鋼的工藝因素探討》，《機(jī)床與液壓》2004年11月。