嚴(yán)黎明 藺國民 于彩云

（西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710123）

隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，綠色制造技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。在國家提出綠色制造的要求時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)械加工行業(yè)應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化生產(chǎn)。在機(jī)床加工中，刀具起著重要作用，而刀具材料、幾何參數(shù)以及結(jié)構(gòu)是金屬切削時(shí)需要考慮的幾個(gè)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(jī)械加工行業(yè)綠色發(fā)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(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜且精細(xì)，所以在選擇金屬切削刀具時(shí)應(yīng)考慮精度要求。但在粗加工中，效率要求應(yīng)放在首位，而在精加工中，精度要求應(yīng)放在首位。綠色制造的要求是對環(huán)境的破壞最小，資源利用效率高，所以在加工前根據(jù)不同的加工要求，選擇合適的刀具，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的金屬加工。接著是穩(wěn)定性要求，在切削時(shí)有很多因素會破壞刀具切削的穩(wěn)定，只有解決了不穩(wěn)定的因素，才能保證加工效率以及成品的質(zhì)量[1]。最后是經(jīng)濟(jì)性要求，在刀具選擇過程中，當(dāng)相同類型的刀具性能差異較小，但價(jià)格卻相差較大時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選擇價(jià)格較低的刀具。

2 刀具在金屬切削中的綠色技術(shù)

2.1 干式切削刀具

在使用干切削刀具時(shí)，其工藝特點(diǎn)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(huán)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(yè)次數(shù)的增多，刀尖強(qiáng)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(guān)系，找到兩者之間的平衡點(diǎn)，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(huán)境下冷卻一段時(shí)間后，使其在低溫狀態(tài)下進(jìn)行干切削加工。冷切屑由于其導(dǎo)熱性而吸收大部分切削熱，切削點(diǎn)始終處在低溫狀態(tài)，在一定程度上維持了刀具的鋒利，而且切削時(shí)可以完全不使用切削液，是標(biāo)準(zhǔn)的綠色制造工藝，這就是低溫干切削?，F(xiàn)如今，在一些發(fā)達(dá)國家，尤其是日本的機(jī)械加工企業(yè)，基本上都采用了低溫切削技術(shù)。未來該工藝也是我國加工技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。

2.3 高速切削刀具

圖1 刀具結(jié)構(gòu)

高速切削刀具與傳統(tǒng)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(wěn)定不振動，所以刀具的進(jìn)給速率比傳統(tǒng)的切削快得多。但其特點(diǎn)是使切削厚度變小，因此切屑會比傳統(tǒng)切削要薄。參考薩洛蒙曲線，當(dāng)切削速度達(dá)到一定速度，其切削溫度反而會比傳統(tǒng)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(shí)產(chǎn)生的巨大切削熱是綠色切削技術(shù)發(fā)展需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。目前，主要采用新型刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和涂層技術(shù)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(fā)明之前，大多數(shù)金屬切削刀具是由高碳工具鋼制成的，切削速度最高達(dá)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(fā)展的背景中，要實(shí)現(xiàn)高速切削，刀具材料是關(guān)鍵。高速切削刀具主要由硬質(zhì)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(jù)待加工的工件性質(zhì)來確定。其中陶瓷刀具的特點(diǎn)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(jié)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(shù)做出了突出貢獻(xiàn)。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(yīng)用最為廣泛的是聚晶立方氮化硼，其硬度、沖擊強(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(jié)構(gòu)的選用

刀具結(jié)構(gòu)有整體式、焊接式、機(jī)夾式和可轉(zhuǎn)位式刀具四種。圖1 為四種刀具結(jié)構(gòu)。

由圖1 可以看出，整體式結(jié)構(gòu)的刀具切削部位一旦發(fā)生鈍化就很難再進(jìn)行精加工。因此此類刀具的刀尖鈍化嚴(yán)重后，基本上整個(gè)刀體報(bào)廢。焊接式刀具的結(jié)構(gòu)緊湊、可以靈活應(yīng)對不同的加工要求，大部分用在各種車刀的制造中。機(jī)夾式刀具結(jié)構(gòu)具有刀架使用率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，一般用于鏜孔、切削和制造螺紋車刀?？赊D(zhuǎn)位式刀具結(jié)構(gòu)具有可轉(zhuǎn)位刀片、斷屑穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，可應(yīng)用于自動化、數(shù)控機(jī)床的加工中[4]。

所以無論粗加工、半精加工和精加工，都應(yīng)該選用專門的適合高速切削的鑲嵌式刀具；選擇剛度強(qiáng)的刀具結(jié)構(gòu)；刀體部分設(shè)計(jì)成可以容納較多的切屑；刀具中心做成孔結(jié)構(gòu)，有利于通氣和散熱；刀片的底座應(yīng)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(jù)涂層材料的性質(zhì)和特點(diǎn)，涂層刀具可分為“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具?！坝病蓖繉拥毒呔哂休^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(shù)，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(yè)為代表的一些特殊企業(yè)，使用“硬”涂層刀具加工不出來所需要的高強(qiáng)度鋁合金和鈦合金，所以這些企業(yè)仍然使用無涂層的高速鋼或硬質(zhì)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(yīng)這類特殊零件的加工要求。因此適用于高溫、高速、大負(fù)荷等特殊環(huán)境條件[5]。

3.3.2 刀具涂層的工藝技術(shù)

物理氣相沉積法（PVD）和化學(xué)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(shù)，也是制備耐火復(fù)合膜的常用工藝方法[6]。這兩種工藝方法均在真空環(huán)境下使用，整個(gè)制備過程清潔無污染，因此，CVD 和PVD 法制備的涂層質(zhì)量明顯優(yōu)于其它大多數(shù)方法制備的涂層，性能優(yōu)良，可在工廠批量生產(chǎn)。表1 為車刀和銑刀在加工過程中磨損量與切削時(shí)間的關(guān)系，其各自的切削深度均為1.0mm，進(jìn)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(jié)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(tǒng)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(xiàn)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(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，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(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，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(fèi)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(qū)域代表涂層刀具切削時(shí)涂層材料的磨損情況，當(dāng)?shù)毒弑砻娴耐繉幽p完繼續(xù)切削工件時(shí)，就和無涂層刀具的磨損一樣?？傮w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(jié)論

為了提高綠色刀具的使用壽命，應(yīng)該從綠色發(fā)展的理念出發(fā)，按照效率、精度、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的要求，不僅要嚴(yán)格控制原材料的選用，還要不斷引進(jìn)和優(yōu)化綠色刀具的生產(chǎn)工藝，從而提高綠色刀具的質(zhì)量以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的目的，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綠色化工程，對于我國未來發(fā)展有著十分重大的意義。

表1 不同刀具磨損與切削時(shí)間的關(guān)系

圖2 標(biāo)準(zhǔn)刀具壽命