基于綠色制造技術的金屬切削刀具的選用方法研究

嚴黎明 藺國民 于彩云

（西京學院 機械工程學院，陜西 西安710123）

隨著人們環保意識的增強，綠色制造技術的應用也越來越廣泛。在國家提出綠色制造的要求時，傳統機械加工行業應該進行優化生產。在機床加工中，刀具起著重要作用，而刀具材料、幾何參數以及結構是金屬切削時需要考慮的幾個因素。在綠色理念為主旋律的前提下，合理選擇金屬切削刀具是帶動機械加工行業綠色發展的重要一步。

1 金屬切削刀具的選用要求

首先是精度要求，隨著機械產品的結構逐漸復雜且精細，所以在選擇金屬切削刀具時應考慮精度要求。但在粗加工中，效率要求應放在首位，而在精加工中，精度要求應放在首位。綠色制造的要求是對環境的破壞最小，資源利用效率高，所以在加工前根據不同的加工要求，選擇合適的刀具，實現精準的金屬加工。接著是穩定性要求，在切削時有很多因素會破壞刀具切削的穩定，只有解決了不穩定的因素，才能保證加工效率以及成品的質量[1]。最后是經濟性要求，在刀具選擇過程中，當相同類型的刀具性能差異較小，但價格卻相差較大時，應該優先選擇價格較低的刀具。

2 刀具在金屬切削中的綠色技術

2.1 干式切削刀具

在使用干切削刀具時，其工藝特點是少用或不用切削液，主要通過刀具與切屑部件的高溫來完成，減少了對環境的污染。然而，在一般情況下，干切削刀具的前角較大，隨著作業次數的增多，刀尖強度會大大降低。因此要記錄和分析切削溫度和切削刀具之間的關系，找到兩者之間的平衡點，這樣才能提高刀具的利用率[1]。

2.2 低溫切削刀具

將待加工工件在極冷的環境下冷卻一段時間后，使其在低溫狀態下進行干切削加工。冷切屑由于其導熱性而吸收大部分切削熱，切削點始終處在低溫狀態，在一定程度上維持了刀具的鋒利，而且切削時可以完全不使用切削液，是標準的綠色制造工藝，這就是低溫干切削。現如今，在一些發達國家，尤其是日本的機械加工企業，基本上都采用了低溫切削技術。未來該工藝也是我國加工技術的主要發展趨勢。

2.3 高速切削刀具

圖1 刀具結構

高速切削刀具與傳統切削刀具相比，前者具有更快的切削速度。在走刀過程中，刀具可以穩定不振動，所以刀具的進給速率比傳統的切削快得多。但其特點是使切削厚度變小，因此切屑會比傳統切削要薄。參考薩洛蒙曲線，當切削速度達到一定速度，其切削溫度反而會比傳統切削要低。

3 金屬切削刀具的選用方法

刀具能否承受干切削時產生的巨大切削熱是綠色切削技術發展需要重點關注的問題。目前，主要采用新型刀具材料、刀具結構優化設計和涂層技術等3 種方式增加刀具對切削熱的承受極限[2]。

3.1 刀具材料的選用

在新的綠色材料發明之前，大多數金屬切削刀具是由高碳工具鋼制成的，切削速度最高達到5m/min，并且加工消耗高且效率低下，這種加工方法違背了綠色制造的要求。在綠色發展的背景中，要實現高速切削，刀具材料是關鍵。高速切削刀具主要由硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等材料制成。

切削刀具的材料必須根據待加工的工件性質來確定。其中陶瓷刀具的特點是耐磨性好，可以用來高速切削工件。此類刀具具有很高的耐用性，比如氮化硅陶瓷刀具的材料主要是來自于自然界很常見的氮和硅，可節約大量W、Co、Ta 等重要的金屬，適用于精加工工序，其為推動綠色切削加工技術做出了突出貢獻。而超硬材料刀具包括聚晶立方氮化硼、聚晶金剛石及單晶金剛石等，其中應用最為廣泛的是聚晶立方氮化硼，其硬度、沖擊強度和抗折強度僅次于金剛石。適用于鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工[3]。

3.2 刀具結構的選用

刀具結構有整體式、焊接式、機夾式和可轉位式刀具四種。圖1 為四種刀具結構。

由圖1 可以看出，整體式結構的刀具切削部位一旦發生鈍化就很難再進行精加工。因此此類刀具的刀尖鈍化嚴重后，基本上整個刀體報廢。焊接式刀具的結構緊湊、可以靈活應對不同的加工要求，大部分用在各種車刀的制造中。機夾式刀具結構具有刀架使用率高、操作方便等優點，一般用于鏜孔、切削和制造螺紋車刀。可轉位式刀具結構具有可轉位刀片、斷屑穩定、生產效率高等特點，可應用于自動化、數控機床的加工中[4]。

所以無論粗加工、半精加工和精加工，都應該選用專門的適合高速切削的鑲嵌式刀具；選擇剛度強的刀具結構；刀體部分設計成可以容納較多的切屑；刀具中心做成孔結構，有利于通氣和散熱；刀片的底座應具有良好的剛度和耐磨性。

3.3 刀具涂層的制備

3.3.1 涂層材料的選擇

根據涂層材料的性質和特點，涂層刀具可分為“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具。“硬”涂層刀具具有較高的硬度和良好的耐磨性，而“軟”涂層刀具具有較低的摩擦因數，可降低附著力、摩擦力、切削溫度和切削力。

目前以航空航天工業為代表的一些特殊企業，使用“硬”涂層刀具加工不出來所需要的高強度鋁合金和鈦合金，所以這些企業仍然使用無涂層的高速鋼或硬質合金刀具來加工此類零件。而“軟”涂層刀具表面可以形成固體潤滑膜，在切削過程中只有很小的摩擦力，可以防止粘連，有效降低切削力和切削溫度，可以適應這類特殊零件的加工要求。因此適用于高溫、高速、大負荷等特殊環境條件[5]。

3.3.2 刀具涂層的工藝技術

物理氣相沉積法（PVD）和化學氣相沉積法(CVD)是目前使用最為廣泛的原子級刀具涂層技術，也是制備耐火復合膜的常用工藝方法[6]。這兩種工藝方法均在真空環境下使用，整個制備過程清潔無污染，因此，CVD 和PVD 法制備的涂層質量明顯優于其它大多數方法制備的涂層，性能優良，可在工廠批量生產。表1 為車刀和銑刀在加工過程中磨損量與切削時間的關系，其各自的切削深度均為1.0mm，進給量為0.2mm，刀具走刀速度為180mm/min，工件材料為ST13。

由表1 可知，車削和銑削結束后，車刀與銑刀的三種刀具中，無涂層刀具磨損均最大，而傳統CVD 工藝的涂層刀具的磨損略微大于PVD/CVD 涂層的刀具的磨損。

3.3.3 刀具涂層對切削性能形成的有益效果

現如今涂層刀具的使用比例已超過60%。涂層減少了刀具與工件間的分子擴散和化學反應，從而減少了刀具表面的磨損。涂層刀具具有表面硬度高、良好的耐磨性和較低的導熱系數等優點，提高了30%～70%的切削速度，提高了加工精度0.6～1級，減少了刀具花費25%～50%[7]。圖2 為無涂層刀具和有涂層刀具的使用壽命曲線。

如圖2 所示，涂層影響區域代表涂層刀具切削時涂層材料的磨損情況，當刀具表面的涂層磨損完繼續切削工件時，就和無涂層刀具的磨損一樣。總體而言，帶有涂層的刀具使用壽命比無涂層的刀具提高了3～5 倍以上。

4 結論

為了提高綠色刀具的使用壽命，應該從綠色發展的理念出發，按照效率、精度、穩定性和經濟性的要求，不僅要嚴格控制原材料的選用，還要不斷引進和優化綠色刀具的生產工藝，從而提高綠色刀具的質量以達到保護環境、節約資源的目的，實現經濟發展的綠色化工程，對于我國未來發展有著十分重大的意義。

表1 不同刀具磨損與切削時間的關系

圖2 標準刀具壽命