高速切削加工的刀具材料及其合理选择www.tool-tool.com

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高速切削刀具技术包括刀具材料、刀具结构的优化和刀具装夹技术等。刀具材料影响着高速切削加工 技术的广泛应用。刀具材料的发展是从高速钢—硬质合金—陶瓷—超硬材料,高性能材料不断取代低性能材料,随之切削速度和加工效率不断提高。目前适用于高速切削的刀具有:涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、聚晶金刚石(PCD)刀具以及性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具等。1高速切削对刀具材料的要求由于高速切削加工的切削速度是常规切削的5~10倍,对刀具材料以及刀具结构、几何参数等都提出了新的要求。刀具材料的选择对加工效率、加工质量以及成本和刀具的寿命等有着重要的影响。高速切削加工除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还对刀具材料有更高的要求,主要包括:①高的硬度和耐磨性 :高速切削加工刀具材料的硬度必须高于普通加工刀具材料的硬度,一般在HRC60以上。刀具材料的硬度愈高,其耐磨性愈好。②高的强度和韧性:刀具材料要有很高的强度和韧性,以便承受切削力、振动和冲击,防止刀具脆性断裂。③良好的热稳定性和热硬性:刀具材料要有很好的耐热性,要能承受高温,具备良好的抗氧化能力。④良好的高温力学性能:刀具材料要有很高的高温强度、高温硬度和高温韧性。⑤较小的化学亲和力:刀具材料与工件材料的化学亲和力要较小<1,>。2高速切削的刀具材料2.1涂层刀具涂层刀具是通过在韧性较好的刀具基体上涂覆硬质耐磨的金属化合物薄膜,以获得远高于刀具基体的硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、陶瓷和金属陶瓷等。涂层刀具具有很强的抗氧化性能和抗粘结性能,因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。由于涂层的摩擦系数低,切削时的切削温度降低,切削力也减小,大大提高了刀具的耐用度。涂层可以是单涂层,也可以是双涂层或多涂层,甚至可以是几种涂层材料复合而成的复合涂层。涂层刀具可以分成硬涂层刀具和软涂层刀具。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN )、碳氮化铝钛(TiAlCN)和氧化铝(Al2O3)等。硬涂层刀具的主要优点是硬度高、耐磨性能好。软涂层刀具的涂层材料主要有MoS2和WS2。软涂层刀具可以减少摩擦,降低切削力和切削温度。TiN涂层的硬度高、耐磨性好,具有很高的化学稳定性,可大大减少刀具与工件之间的摩擦系数;TiC涂层与被切削金属的亲和力小,润湿性好,抗氧化性强,具有良好的抗摩擦磨损性能;TiAlN涂层刀具,不仅具有TiN的硬度和耐磨性,而且在高速切削时,氧化生成Al2O3起到抗氧化和抗扩散磨损的作用,具有良好的切削性能,其最高工作温度可达80 0℃;Al2O3涂层在高温下具有良好的热稳定性,适用于高速切削时产生大量热的刀具;金刚石膜涂层刀具主要适用于加工有色金属;MoS2和WS2作为软涂层材料的高速钢刀具主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料<4>。最新开发的纳米涂层材料刀具在高速切削中的应用前景也很广阔。如日本位友公司已开发出纳米TiAlN复合涂层铣刀片,共2000层涂层 ,每层厚度为2.5nm。应用较广泛的涂层工艺有化学气相沉积法(CVD法)和物理气相沉积法(PVD法)。PVD法主要用于高速钢刀具涂层,PVD法和CVD法均可用于硬质合金刀具涂层。2.2陶瓷刀具陶瓷刀具的材料主要有氧化铝基和氮化硅基2大类,是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的,此外还有多相陶瓷。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬质合金刀具高3~10倍,适用于高速切削钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具可在200~1000m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具主要应用于耐磨材料、淬硬材料和难加工材料等的车、铣粗精加工。具体来说,氧化铝基陶瓷主要用于加工淬硬钢和耐磨铸铁,氮化硅基陶瓷主要用于加工铸铁、高温合金和镍基合金等材料。2.3金属陶瓷刀具金属陶瓷有较高室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(TiC+Ni或M o)、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。金属陶瓷刀具可在300~50 0m/min的切削速度范围内高速加工钢和合金钢,精加工铸铁。此外金属陶瓷还可制成钻头、铣刀和滚刀。2.4立方氮化硼(CBN)刀具立方氮化硼刀具具有极高的硬度(仅次于PCD) 和红硬性,CBN刀具是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想刀具材料。由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度,因此采用CBN刀具切削淬硬钢可以实现“以车代磨”。考虑到CBN刀坯的价格较高以及重磨因素,一般在可转位硬质合金刀片的一角上镶焊1块CBN刀坯,且通常只做1个刀尖。研究证明,采用纯CBN材料制成的刀具在许多情况下并不能获得最佳加工效果。2.5聚晶金刚石(PCD)刀具聚晶金刚石(PCD)材料具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数等特点。PCD刀具可以实现有色金属及耐磨非金属材料(如石墨和合成材料)的高速、高精度、高稳定性加工。据报导,镶PCD的钻头加工硅铝合金的切削速度达300~400m/min,PCD与硬质合金基体共同烧结而成的复合片钻头,用于加工Al合金、Mg合金、复合材料、石墨、粉末冶金坯料,与硬质合金刀具相比,刀具寿命提高了65~145倍;采用高强度Al合金刀体的PCD面铣刀的切削速度υc达3000 ~4000m/min,有的达到7000m/min,适合于汽车零部件成形面的高速加工。2 .6性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具<1>高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢和整体硬质合金材料已成为制造滚刀、剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具的主流刀具材料,可用于齿轮的高速切削。用硬质合金粉末和高速钢粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齿轮滚刀,滚切速度可达到150~ 180m/min。再对其进行TiAlN涂层处理后,可用于高速干切齿轮。3高速切削刀具材料的合理选择<5,6>目前高速切削广泛应用的刀具材料有:金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷、陶瓷、涂层刀具以及性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具等。面对种类繁多的工件材料,如何正确的选择适合与相应工件材料的刀具,以提高加工生产率,降低加工成本,这是十分重要的问题。每一种刀具材料都有其特定的加工范围,只能适应一定的工件材料和一定的切削速度范围,不同的刀具材料或同种刀具材料加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大的差别。一般而言,CB N、陶瓷刀具、涂层刀具及金属陶瓷刀具适合于钢铁等黑色金属的高速加工;而PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属及其合金和非金属材料的高速加工。表1列出了上述刀具材料所适合加工的一些工件材料<1>。3.1陶瓷刀具的选用陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁、刚件和镍基高温合金,但品种不同的陶瓷刀具也都有不同的加工范围,合理选用陶瓷刀具是保证其成功应用的关键。Al2O3基陶瓷刀具具有良好的耐磨性、耐热性,且高温化学稳定性好,不易与铁元素之间发生相互扩散或化学反应,因此,它可用于对铸铁、钢及其合金的高速加工。Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热震性高于Al2O3基陶瓷刀具,适于断续加工铸铁和铸铁合金。表1各种刀具材料所适合加工的工件材料工件材料刀具材料高硬钢耐热合金钛合金镍温基和金高铸铁纯钢高合硅金铝F合R材P料复PCD○○★○○○★★CBN★★◇★◇◇△△陶瓷刀具★★○★★△○○ 涂层刀具◇★★△★★△△金属陶瓷刀具△○○○★△○○注:★—优◇—良△—尚可○—不合适 3.2金属陶瓷刀具的选用金属陶瓷刀具不仅具有陶瓷的硬度,而且还具有硬质合金的高强度,可用于可转位刀片或焊接。金属陶瓷刀具化学稳定性好,耐氧化性、抗粘结性和耐磨性也较好,且与钢的亲和力小,适合于中高速(200m/min左右)切削模具钢,尤其适于切槽加工。对铸铁件的加工,当切削速度低于750m/min时,可选用金属陶瓷刀具。3.3立方氮化硼刀具的选用立方氮化硼刀具主要用于加工淬硬钢和高硬铸铁以及一些难加工材料,被加工材料的硬度愈高愈能体现立方氮化硼刀具的优越性,并可以实现以车代磨,大幅度地提高加工效率。立方氮化硼刀具的性能受其中的CBN含量、CBN粒径和结合剂的影响,CBN的含量越高,其硬度和耐磨性越好。最近国外已经开发出各种成分配比的CBN刀具以及CBN+金属陶瓷复合刀片,根据不同的加工用途,刀片含有不等量的CBN(见表2)<1>。表2不同CBN含量的刀片及用途CB N含量刀片的加工用途50%连续切削淬硬钢(45~65HRC)65%半断续切削淬硬钢(4 5~65HRC)80%加工镍铬铸铁90%连续重载切削淬硬钢(45~65HRC)80%~ 90%高速切削铸铁(v=500~1300m/min)粗切削、半粗切削淬硬钢3.4金刚石刀具的选用金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。金刚石刀具已在汽车、航空航天、国防工业等领域广泛应用。金刚石的热稳定性比较差,切削温度达到800℃时,就会失去其硬度。金刚石刀具不适合加工钢铁类材料,其原因是金刚石与铁有很强的化学亲和力,在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构,刀具极容易损坏。4结论近年来,刀具材料的不断更新和发展,有力地推动着高速切削加工的广泛应用。目前国内外适用于高速切削加工的刀具材料主要有:涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷、CBN和PCD等。

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刀具应用技术www.tool-tool.com

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自20世纪80年代开始,在世界制造业的发展和制造技术进步的带动下,切削技术和刀具逐渐进入 了高速、高效、创新工艺的发展新阶段,切削加工效率有了成倍的提高,为制造业的发展作出了重要的贡献。创新的、高效的切削工艺和先进刀具已成为制造业中航空航天、汽车、模具、电站设备制造等工业部门和装备制造业的基础工艺和关键技术。高速切削、干切削、硬切削等新的切削方式正在改变一些行业的传统加工工艺,显现出强大的生命力。至今,应用创新的切削工艺和先进刀具 ,提高加工效率和加工质量,降低制造成本,从而提高企业的竞争实力已成为工业发达国家机械加工企业的共识,也引起我国机械加工企业的关注。因此,从刀具应用技术入手,提高企业切削刀具的应用水平,在我国具有重要的现实意义。回顾美、德、日等制造强国发展的历程,无一例外地印证了制造强国都是切削技术和刀具的强国,即使在信息化的今天,它们仍然是切削技术和刀具领域的领头羊。今天,我国称得上是世界制造大国,正在朝着制造强国的目标迈进。然而,我国的切削加工水平与世界先进切削技术比较,仍有较大的差距。除了技术上的差距以外,造成切削技术落后的原因还有长期以来形成的忽视切削技术和刀具的落后观念。企业通常把制造成本中的刀具费用压得很低,并把刀具采购人员能买到便宜刀具视为其业绩,这些做法的实质是牺牲了加工效率来降低零件的制造成本。然而,切削加工的经济分析指出:由于刀具成本在零件制造成本中所占的比例仅为3%～5%,如果把刀具的购买价格降SolutionforToolApplicatio n刀具应用解决方案低30%,企业只节省了1%的零件成本;如果购进了较好的刀具,使刀具寿命延长50%,企业也只节省1%的零件成本;但是如果购进了性能优异的刀具,从而改善切削能力,提高加工效率(假设提高20%),那么就能节省15%的零件成本。至今,这个理论已经被很多切削加工的实例所证实。因此,更新观念是应用先进刀具提高切削加工效率的前提,只有观念更新了,才能使像现代切削技术这样投资少、见效快的优质技术资源在我国的企业里找到用武之地。技术上的差距和观念的落后不仅阻碍着我国制造业的发展,影响制造强国这个宏伟目标的实现, 而且制约着企业的技术进步和竞争实力的增强。因此,无论是为了实现成为制造强国的宏伟目标, 还是为了企业自身的发展,我们都必须更新观念,加快开发和应用先进的切削技术和刀具。怎样提高企业的切削刀具应用水平,各企业可以根据自身的特点采用不同的做法,但都可从以下3方面入手。尽可能有针对性地采用新的刀具材料牌号,使生产的刀具能更好地适应工件材料和切削条件。现代制造业中被加工材料种类很多,包括钢铁材料、有色金属及耐热合金、合成材料等,这些工件材料不仅各类之间的可切削性有很大差异,而且每一类材料内部也由于机械性能或金相组织的不同而存在可切削性的差异,如铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢,虽同属不锈钢,但可切削性也有差别。因此,有针对性地选用刀具材料的牌号,才能收到“对症下药”的效果。不仅如此,使用者在面对车削、铣削、钻削等不同的加工工艺和高速精加工、低速粗加工等不同的切削条件时,也必须选用相应的牌号,才能达到理想的加工效果。正是为了满足这样的需求,刀具制造商加快了材料新牌号的开发速度。尽管从宏观上看刀具材料还是这么几种,可是通过材料成分的调整、制造工艺的控制及与涂层的最佳搭配,可使刀具的切削性能在很广的范围内得到调整,开发出众多不同性能、不同用途的牌号,从而使生产出的刀具更加适应被加工材料和切削条件,达到提高切削效率的目的。通常一种新牌号的开发,可将切削效率提高20%以上。专用于高速车削不锈钢的G C2015,该牌号是表层富钴的、整体抗塑性变形的和良好热硬性的硬质合金基体,加上专为此牌号而设计的TiN-TiN/Al2O3(多层)-TiCN复合涂层,并对涂层表面进行平滑处理,提高了刀片抗剥落和抗积屑瘤的能力,更加适合加工不锈钢,从而可将切削速度提高20% 。又如肯纳金属公司仅就车削加工新推出的牌号就有:加工钢材的KC9110,加工不锈钢的K C9225,加工铸铁的KY1310,加工耐热合金的KC5410,加工非铁材料的KY16 15,新牌号的切削效率比老牌号平均可提高15%～20%。加工铸铁的硬质合金刀片,包含4个牌号,分别应用于不同的场合: YBD052适用于干式高速加工灰铸铁,YBD102适用于高速加工球墨铸铁,YBD152 适用于中高速或铣削加工,YBD252适用于中低速湿式铣削或断续切削。试验数据表明,这些新牌号比现有的牌号可提高切削速度30%～40%。可见,在当前刀具制造商加快新牌号开发速度的环境下,及时发现并采用新的牌号替代现有的牌号,应成为企业在提高切削加工效率方面一项经常性的工作。当前,随着刀具结构的创新速度的加快,刀具制造商不断推出新结构的刀具,对提高切削效率发挥了重要的作用。在刀具结构方面有以下3个做法值得采用。(1)提高可转位刀具和涂层刀具的应用比例。可转位刀具(包括部分机夹式刀具)和涂层刀具已是十分成熟的技术,在国外的企业里有很高的应用比例,但在我国多数的企业里这两者的应用比例都不高,有很大的推广应用空间。据可转位刀具推广应用工作做得比较好的企业估计,在推广了可转位刀具以后,企业切削加工的效率平均提高了30%。此外,当前新开发的可转位刀具都有较大的前角,平面铣选用新型的刀具材料选用先进的刀具结构FORUM刀,刀片槽的正前角是10°,加上正前角的刀片槽形,安装后最大切削前角可达35°,显著降低了切削力和功率的消耗,为提高切削效率创造了有利条件。钻头、台肩铣刀和面铣刀的可转位刀片都有较大的前角,由于该系列刀具采用了该公司Quartec的材质和Tiger.tec的涂层技术,据称切削效率可提高100%。因此,应在我国大多数老企业拥有的旧机床上推广可转位刀具。时至今日,涂层技术进入了新的发展阶段,采用新型涂层已经成为快速提高刀具性能的有效途径。新开发的涂层有适应高速切削、干切削、硬切削的耐磨、耐热涂层,有适应断续切削的韧性涂层,还有适用于干切削及需要降低摩擦系数的润滑涂层。这些新型涂层能更好地满足多样化加工的需要。高性能涂层已突破了TiAlN系列涂层一统天下的局面,出现了AlCrN涂层和TiSiN、AlCrSiN、TiBON等新型涂层,这些涂层的显微硬度在3 200～3600Hv之间,耐氧化温度在900～1100℃范围内,并且分别具有不同于Ti AlN的独特性能。新涂层的开发进一步提高了涂层刀具的性能,也为用户提供了更多的选择余地。(2)努力创造条件应用整体硬质合金圆形刀具。细颗粒、超细颗粒硬质合金制造的钻头、立铣刀、丝锥等圆形刀具与现在常用的同类高速钢刀具相比,切削速度可提高几倍,能在很大程度上提高加工效率。借助五轴联动数控工具磨床,现代的整体硬质合金圆形刀具不再是千篇一律的标准刀具,而是结构创新的特色刀具,因而此类刀具的性能有显著的提高。不等螺旋角立铣刀,可有效地抑制铣削过程中的振动,从而提高加工质量和效率。四刃圆角立铣刀,两个被称为副刃的外径略小于铣刀的公称尺寸,使四刃处在椭圆形的截面上,副刃与端刃连接形成的“圆”弧也是椭圆的一部分。切削时主刃与副刃分别切下不同长度、厚度的切屑,改变了切削力的周期性,抑制了刀具的振动,可使铣刀每齿进给量提高0.5～0.7mm,实现了高效加工。但是,整体硬质合金刀具的使用要求机床有较好的性能,对刀具的装夹也有特定的要求, 使用时应多加注意。(3)应用先进刀具促进切削工艺革新。现代切削技术进步的一个特点是,先进刀具的开发与切削工艺或加工方法的革新相结合,从更深层次上挖掘切削加工的潜力,推动切削工艺的进步。如用CBN刀具对淬硬工件的以车代磨的新工艺,效率更高,并且更有利于环保;用硬质合金螺纹铣刀铣削螺纹代替攻丝,避免了丝锥折断的弊病,可充分发挥硬质合金高速切削的优点,正在改变螺孔加工低速、低效的现状;专为模具工业开发的多功能铣刀、插铣刀、钻铣刀、小切深大进给铣刀等新型刀具改变了传统的模具加工方法,为提高模具加工的效率起到了重要的作用。此外,为汽车行业加工曲轴而开发的车-车拉刀、高速铣刀和为航空部门加工飞机铝合金构件开发的高速铣削等新工艺都推动了这些行业加工技术的革新,取得了显著的效果。现阶段企业提高刀具应用技术的工作应更多地依靠刀具制造商的帮助。现代刀具制造商掌握着大量的切削技术资源和信息,并确立了为用户提高切削加工效率的经营宗旨。他们是切削技术社会化的专业队伍,他们强大的科研力量,巨额的开发经费,现代化的工艺装备,先进的经营理念推动了现代切削技术的进步。加强与刀具制造商的合作,在他们的帮助下使企业提高刀具的应用水平和加工效率,缩短交货周期,这已是国外刀具用户企业取得竞争优势的秘诀。我们应仿而效之,尤其像加工奥氏体不锈钢、钛合金、镍基合金等难加工材料,更需要依靠刀具制造商充分发挥其在刀具材料、涂层、刀具设计等方面的优势,应用积累的加工经验,才能取得好的效果。

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PCBN刀具在干切削中的应用研究www.tool-tool.com

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干切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术 。1995年干切削的科学意义被正式确立,1997年的国际生产工程研究会(CIRP)年会上,德国Aachen工业大学的F.Klocke教授作了“干切削”的主题报告;1999年 1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上,国际著名的刀具制造厂MAPAL 公司的总裁B.P.Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告,干切削技术已经在各国工业界和学术界引起广泛的关注。目前包括欧洲、美国和日本等工业发达国家,非常重视干切削的研究,干切削技术已经成功应用到了生产领域,其中德国企业尤为普遍,并且取得了良好的经济效益,世界许多知名的机床厂商在他们的产品目录中都有干切削机床、加工中心。<1>1干切削的主要特点目前切削加工工艺的绿色化主要集中在不使用切削液。干切削是消除切削液污染、实现清洁化生产的有效途径。选用干式加工,主要出于经济和环境两方面的考虑:(1)经济方面,随着切削用量的成倍增大,切削液的消耗量也大幅提高,因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。国外许多统计资料表明,切削液及切削液的供给、保养、回收及切削废液的处理等费用加在一起,占总制造成本的16%,而刀具消耗的费用仅占制造成本的4%。这个统计分析数据必须引起人们的高度重视,因为在当今日益激烈的市场竞争中,降低产品的生产成本和销售价格,已成为企业生存与发展的重要因素。<2>(2)环境方面,切削液的使用会使长期暴露在空气中的磨削液、合成切削液,尤其是雾状切削液对操作者的健康造成危害,同时还会造成工作场地、局部环境 (水、土壤、气等)污染。近年来,美国在制造业广泛采用了干式加工。在欧洲已有一半的企业采用了干切削加工技术,在德国,广泛应用如超细晶粒硬质合金、陶瓷和金属陶瓷刀具材料,金刚石和CBN等都大有用武之地。PCBN又以其优异的耐高温性能、高硬度和化学稳定性而更具优势。<3>2立方氮化硼刀具的性能立方氮化硼(CBN)是继人工合成金刚石后出现的利用超高温、高压技术获得的第二种无机超硬材料,它是由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂合成的立方氮化硼单晶体和聚晶体。2.1具有较高的硬度和耐磨性CBN的显微硬度HV8000～90 00,仅次于人造金刚石HV10000,比氮化硅陶瓷HV5000高出好多,在加工淬火钢及灰铸铁时,CBN刀具的耐磨性比硬质合金、陶瓷、金刚石刀具都高,因此,能保证高的加工精度和高的刀具耐用度。2.2具有很高的热稳定性CBN耐热性可达1400℃～1500℃,比金刚石的耐热性(700℃～800℃)高得多,并具有抵抗周期性高温作用的能力,PCBN在8 00℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度,因此PCBN刀具可用比硬质合金刀具高3～ 5倍的速度来高速切削高温合金和淬硬钢,并保持高硬度。2.3具有优良的化学稳定性CBN本身结构稳定,化学惰性大,与其它材料的亲和力小,不易发生化学反应,它与金刚石不一样,与铁系材料直至1200℃～1300℃时也不易起化学作用。与碳在2000℃时才发生反应;在中性、还原性的气体中,对酸碱都是稳定的,因此在高温高压和高速切削条件下,CBN刀具几乎不发生因粘结和化学扩散而引起的磨损,试验证明,CBN在空气中加热到1000℃时,其晶体氧化后在表面产生一层氧化硼薄膜,它可防止进一步氧化。不过,CBN在高温下与水起化学反应, 由于水解作用造成大量CBN被磨耗,因此,切不可用水或水溶性合成润滑剂作润滑冷却液,在高温下切削最好是干切削。2.4具有较好的导热性CBN的导热性仅次于金刚石,导热系数为13 00W/(m℃),是紫铜的3.2倍,是硬质合金的20倍,是陶瓷的37倍,且随着温度的升高PCBN导热系数是增加的,这可导致刀尖处切削温度的降低,提高刀具的耐用度。而氧化铝的导热系数是减少的,因此PCBN刀具适合精加工。2.5具有较低的摩擦系数CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1～0.3,随着切削速度的提高,摩擦系数减小,这样可减小切削力和降低切削温度,因此PCBN刀具非常适合高速切削加工。2.6PCBN刀具切削淬硬钢时的金属软化效应PCBN刀具的重要用途之一是加工硬质材料,由于它的高温硬度和热稳定性,因此可以进行高速切削,切削热使被切削层金属软化、硬度降低而易于切削加工,刀具仍然保持高硬度。PC BN刀具的这一特性被称为金属软化效应。产生金属软化效应的决定性因素是切削温度。实验证明 ,HRC50是切削机理产生变化的临界点,产生金属软化效应的条件是工件材料的硬度要大于H RC50。另外,HRC50也是区分普通切削与硬态切削的临界点。3立方氮化硼刀具的应用P CBN作为新一代超硬刀具材料,使切削技术发生了革命性变化,它为淬火硬材料提供了一种经济而高效的切削手段。发达国家将其作为提高加工水平和经济效益(节能、高效、精密、自动化)的重要工具材料加以发展。在军工、宇航等工业中对难加工材料的加工更是不可缺少,也是数控加工技术发展必备的长寿命刀具材料,PCBN刀具可对各种硬的或耐磨性的材料进行高速车、镗、切槽、螺纹加工,粗、半精、精加工皆宜。实践证明,PCBN刀具的使用不仅可提高产品的加工质量,而且也可提高经济效益。因此,随着现代制造业(尤其是汽车制造业)的快速发展,超硬刀具的生产及应用也逐年快速增长。PCBN刀具符合当今刀具发展的主要方向,它能提高刀具寿命、提高切削效率、降低加工成本、保证高精度和低粗糙度,满足难切削材料的加工要求。随着PCB N自身质量的提高,刀具制造技术的不断改进,PCBN刀具的应用将得到更快发展。随着现代科技的发展,各种新型工件材料得到了发展与应用,其中有不少是难加工材料,且其加工精度与技术条件的要求越来越高。传统的刀具材料,如高速钢、硬质合金、陶瓷等常不能满足上述加工的需要 ,而必须采用超硬材料刀具。利用超硬材料刀具有高硬度、高杨氏模量、高导热性能与低摩擦、低热膨胀的特点,故可切削各种硬材料和难加工材料。PCBN最适合于各种淬硬钢、冷硬铸铁及其它高硬黑色金属的切削。PCBN刀具的应用范围:(1)按行业来分,汽车工业占50.37% 、重型机械代切削加工中首选的工具<3>。CBN是目前硬度仅次于金刚石的超硬材料,而PC BN又是以CBN作为主要成份在高温超高压条件下经烧结而成的聚晶体。CBN与硬质合金、陶瓷材料相比,在干切削条件下具有更明显的优势:CBN硬度高于TiC、A12O3、SiC, 是硬质合金的2倍以上;在800℃～1000℃下的高温硬度也远高于硬质合金、陶瓷材料,因此可成倍提高切削速度,延长刀具寿命;同时CBN的热传导率高,可降低干切削时切削刃的温度 ;CBN的热膨胀率小,抗热冲击性好,可减小PCBN刀具的粘接磨损和扩散磨损;并且CBN 与金刚石不同,既与铁、钴、镍等有良好的化学惰性,在高温空气中又有良好的化学稳定性;另外 PCBN刀具摩擦系数小,排屑流畅,散热迅速。因此PCBN刀具是最具备符合绿色刀具要求的理想切削刀具。硬态切削是近年来兴起的新的切削工艺,指对铁系零件经淬火或去应力热处理后具有较高硬度材料的切削加工。由于淬硬材料硬度高、塑性小、延伸性差、切削温度高,过去没有高红硬性的切削刀具材料,通常采用磨削加工方法。近年来随着PCBN刀具的发展及其应用技术的进步,使高硬度材料的切削加工变得容易实现。并且硬态切削由于加工精度高、工件表面完整性好 (切削表面纹理整齐、光亮、Ra≤0.8μm,几乎不破坏工件表面组织、不产生退火软化层、无变质层),从而可以用PCBN刀具实现以车代磨完成对淬硬材料的精加工。<4>4结束语目前,我国对干切削技术的研究还比较少,应用也只是传统的铸铁铣削加工。干切削技术作为一种绿色制造工艺,对于节省资源、保护环境、降低成本具有重要意义。PCBN刀具非常适合于硬态材料的干切削,并能加工金刚石刀具所不能加工的黑色金属材料,特别适合数控设备及自动化生产线的使用。PCBN刀具有很高的耐磨性,其使用寿命远远高于硬质合金,可加工大部分高硬度材料 ,在许多场合可以以车、镗、铣等代替磨削,能使被加工零件获得高的精度和良好的表面质量,并大大提高生产效率。国外PCBN刀具已广泛用来加工淬硬钢、高硬度铸铁和抗磨零件,并带来了巨大的经济效益。随着机械零件的硬度和抗磨损性能要求的进一步提高,PCBN刀具的使用必将更加广泛。

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 TEL:+886 4 24710048 / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

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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单晶金刚石刀具研制www.tool-tool.com

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单晶金刚石刀具是精密与超精密加工中不可缺少的工 具,其研磨质量是直接影响超精密加工精 度的关键因素,除与金刚石刀具磨床、研磨砂轮质量等硬件因素有关外,还在于研磨工艺参数的选 择与控制,因此对操作者的经验要求很高。研磨压力是一个影响研磨效率、表面质量、刃口质量等 的关键工艺参数。使用不同结合剂的砂轮,其研磨压力也不同,例如陶瓷结合剂砂轮需要的研磨压 力最小,金属结合剂砂轮需要的研磨压力最大;不同的加工工艺如粗磨和精磨时的压力也不同。因 此,要达到最好的研磨效率、最少的砂轮磨耗、高质量的刀刃面和刀刃,必须精确控制研磨压力。 目前常见的金刚石刀具研磨压力控制机构主要有三种形式:(1)杠杆式较常见的传统机构,通过 调节质量块在杠杆上的位置调节研磨压力(见图1)。1·质量块2·杠杆3·金刚石刀具4·砂 轮图1杠杆式研磨压力控制机构(2)弹簧式通过刀具滑动式夹具夹持部分弹簧与滑块来调节研磨 压力,使之保持恒定。(3)气压式常见于专用刀具磨床上,如Baileno金刚石刀具磨床,台湾Farman公司的FC-200D,FC- 500DPCD&CBN刀具磨床,以及瑞士EWAGRS12工具磨床。采用前两种研磨压力控制方式,存在压力调节不方便、夹具系统刚度不足、刀具 容易振动的缺点;而气压式存在夹具刚度不足的风险,甚至可能产生蠕动。金刚石刀具研磨量一般 不是很大,利用压电陶瓷位移驱动器和压电陶瓷力传感器的控制简便、高刚度的特点,设计了一套 多功能夹具系统,实现了微位移进给、研磨压力控制等功能,提高了研磨可靠性和研磨质量。2夹 具系统功能单晶金刚石刀具研磨智能夹具系统与专用金刚石刀具工具磨床结合使用,通过微驱动结 构、压力传感器以及微处理器组成的闭环系统实现研磨压力控制,能实现以下功能:辅助对刀,自 动研磨压力调节,工艺状况自动记录与存储,夹具系统自标定。另外,夹具系统还需实现刀具研磨 时后角和主偏角的定位功能以及辅助检测设备在线检测研磨质量功能。多功能夹具系统的功能框图 如图2所示。系统进行一定扩充可实现研磨量的检测,如系统和刀具磨床控制与检测系统连结,并 在PC机上实现工艺数据的处理与工艺参数统一控制,则形成一套完整的金刚石刀具研磨智能检测 与控制系统,实现金刚石刀具研磨的自动化和标准化。图2多功能夹具系统功能框图3夹具系统结 构夹具系统的结构由刀具装夹与角度调整部分、压力检测与控制机构两部分构成,关键在于后者的 结构设计。整个夹具系统采用压电陶瓷微位移驱动器和压电陶瓷传感器结合实现压力的控制,故压 力检测与控制部分结构采用了基于柔性铰链的一维微位移移动平台来实现。3·1直圆柔性铰链的 系列设计计算公式柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移,特点是无机械摩擦和间隙、运动灵 敏度高。它有多种结构,最普通的是绕一个轴弹性弯曲,这种弹性变形是可逆的。本夹具系统采用 的是最常见的直圆柔性铰链(见图3)。从微位移机构的实际情况出发,对用于微位移机构的柔性 铰链进行分析,发现有两个明显特点:一是位移即柔性铰链的变形比较小,一般是几十到几百微米 ;二是柔性铰链的转轴方向刚度远大于转动方向刚度,即b>>t。直圆柔性铰链的变形可只需考 虑绕z轴的弯曲变形和沿x轴的拉伸。图3直圆柔性铰链简化计算图图4一维微位移平台结构示意图(1)弯曲刚度根据材料力学理论,由力矩M引起的柔性变形角 αM为αM=∫-RREJ(Mx)dx=∫-RRE812b(2t+RM-R2-x2)3dx上式积分得αM=3EMbR<>当t/R<<1时,上式可简化为αm≈92πembtr51//22得到直圆 ks="ΔFxx="Eb2(24ss++11)arctan" s="R/t3·2一维微位移平台设计一维微位移平台的结构示意图如图" x="ltanθ由于Δx/l很小,tanθ≈θ,故Δx="lθ可知对某" u="21kbθ2+21ksΔl02式" w="1/2FΔx连杆伸长为Δl="l" l0="Δ4xl2整个复合弹性移动副共有8个柔性铰链,由功能原理可得W="21" x="8u="8(12kbθ2+21ksΔl02)由此可知,

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特种铸造及有色合金www.tool-tool.com

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铸造系统的主要内容,包括:(1) 3D数字化技术;(2)发泡模样的高速NC加工技术;(3)发泡模样的批量生产技术;(4) 铸造模拟技术;(5)无人检查、无人加工技术;(6)缩短生产时间的水冷技术。将上述技术系统整合,构筑了生产大型铸件的实型铸造新生产体系。其中,针对球墨铸铁石墨化膨胀引起的缩松缺陷,引入形状系数,开发了基于形状系数自动计算及缺陷预测的数值模拟软件,为无冒口铸造工艺方案设计提供了技术支撑。将嵌铸引入实型铸造工艺,在铸件中可嵌铸管、螺纹、石墨棒等,扩大了其应用范围。大型铸件因冷却缓慢,延长生产时间,因此开发了实型铸造水冷却技术,可使生产周期缩短50%左右。20060302及川涉,善林智花,竹内荣一,等.镀铁的铝材表面改性技术.素形材,2005,46(12):17~23研究了铝材表面镀铁及镀层热扩散处理, 提高附着强度及耐磨性的技术要点。首先探讨了电镀液组成、液温、电流密度对电镀附着层的影响 ,确定了电镀条件,即电镀液采用Fe及Fe-8Cr合金。电镀扩散处理可有效提高镀膜的附着强度,但由于Al和Fe热膨胀率不同,在加热过程中产生龟裂。据推测,裂纹起到了润滑油道的作用,可确保优异的耐磨性。电镀-N化系复合处理试验采用镀15~20mm厚的膜,在450 ℃或500℃时浸渗硫氮化处理3~5h,气体为NH3(15l/min)和用N2稀释的H2 S(667×10-6,20l/h)。结果表明:500℃时镀Fe-8Cr,镀层硬度为11 00~1500HV,铸铁为770~840HV。其次,铁合金镀层的耐磨特性试验,接触压力为0.196MPa,高负载极限压力为0.49MPa,摩擦速度为0.50~4.00m/s ,摩擦距离为50000m,摩擦系数<0.2。数据显示,热扩散处理后电镀层的耐磨特性及氮化处理后的极高负载条件下的单纯电镀层在有裂纹存在时,裂纹起润滑油道作用,在低摩擦下得到了优异的耐摩擦性,而没有裂纹的情况下,非常困难。最后介绍了镀铁铝合金在轿车发动机缸体活塞上的应用。20060303近藤和利,青山俊三,酒井信行,等.高真空压铸的焊接构造用大型框架件的开发.素形材,2005,46(12):28~32介绍了利用高真空压铸生产大型焊接构造用框架件的工艺开发过程。其基础技术的开发如下。(1)测试件的形状及开发目标值,选定的测试零件为车体与运动回转部分的连接部件,目标值设为焊接部分每100gAl的气体含量为2ml,抗拉强度为240MPa,屈服强度为140MPa,伸长率为5%。( 2)高真空压铸技术,采用独自开发的真空阀,改进MFT法。(3)模具设计技术,叙述了达到 4kPa真空压力的模具密封方法及模具温度的精确控制。(4)合金材料选择Silafont 36合金。(5)模具结构的验证。真空压力显示在1s内可达到目标设定值,泄漏速度为0.6 kPa/s,非常小。模具温度偏差控制在100K以内,并结合外部冷却达到了设定要求。(6 )高真空压铸得到的铸件品质检测,铸件内气体含量采用熔融抽取法测量,不同测定部位的偏差较大,每100gAl在2~7ml范围内波动,分析气体成分发现各部分气体成分不一样,分别以CO2和N2为主 ,表明是由涂料的挥发引起的。因此,须优化涂料的稀释量及涂敷量。测试了材料在铸态和T5热处理下的力学性能,分析了偏差产生的原因。最后介绍了其在轿车上的应用及质量管理体系的建立 ,以确保产品的高度可靠性。20060304魏肇男,薄慧云,洪炎辉.微细铸造及壳式离心铸造对IN-713C超合金显微组织及力学性能影响的研究.铸造工学,2005,31(9): 1~18以IN-713C超合金为研究对象,采用微细铸造(Microcast)及壳式离心铸造(SkullCentrifugal Cast)制造出超微细晶试样,并进行热均压处理,研究微细铸造及离心铸造对IN-713C显微组织及力学性能的影响。研究结果显示:微细铸造及离心铸造具有细化晶粒的效果,可得到晶粒大小为65μm及25μm的超微细晶。显示组织观察显示,随着晶粒细化,碳化物具有被细化及球化的趋势。此外,热均压处理可消除微缩孔及提升力学性能,使离心铸造25μm超微细晶试样缩孔由7.7%降至0.8%,有效提升抗拉强度至1328MPa(为传统铸造的1.2倍), 且伸长率大幅提升至18.1%(为传统铸造的1.9倍)。在927/158MPa潜变测试下 ,离心铸造所得的25μm超微细晶,因骨架型碳化物被细化成颗粒状且分布均匀,其潜变寿命较微细铸造所得的90μm细晶优异。研究证实了微细铸造及离心铸造可有效提高超合金的力学性能 ,热均压处理可有效减少微缩孔对细晶铸件力学性能的负面影响。20060305胡瑞峰,蔡秉杰,黄旭莹,等.A356铝基碳化硅颗粒复合材料的切削性.铸造工学,2005,31(9) :19~37研究的主要目的在于探讨不同碳化硅含量的A356铝基(A356/SiCp)复合材料的切削性,同时也深入研究了T6析出硬化热处理对其切削性的影响。以试验分析了不同的切削参数如刀具种类、切削深度、进给率和切削速度等对A356/SiCp复合材料的切削性的影响之外,亦利用田口品质法寻求了各种不同成分A356/SiCp复合材料的最佳切削条件组合。除对切削性的评估测量和比较不同切削条件下刀具的切削力、材料切削面的表面粗糙度和刀具的刀腹磨耗量外,同时也利用显微镜深入观察材料的切削表面、刀具的磨耗情形和切削形态,以了解切削参数影响不同A356/SiCp符合材料切削性的机制。研究结果显示,随着切削深度、进给率或切削速度的增加,刀具和材料内SiCp的摩擦会增加,因此增大刀具对材料的切削力。而在A356/SiCp复合材料中添加10%以上的SiCp或施加T6热处理后,不但材料硬度会提升,亦能有效改善材料切削面的表面粗糙度。其次,在刀具的刀腹磨耗方面,最大影响因素为刀具种类和SiCp添加量;即刀具的硬度高,其刀腹磨耗量会明显的降低,但若SiCp添加量增加,刀腹磨耗量则会增加。此外,对于添加10%的SiCp以上的A356/SiCp复合材料,建议以CBN刀具进行切削,即可获得较佳的切削表面粗糙度和较小的刀腹磨耗量,但对于添加5%的SiCp以下的A356/SiCp复合材料,建议使用镀刀就足够有较佳的切削效果。而以田口品质法所寻获各种A356/SiCp复合材料的最佳切削参数组合,其重显性则甚佳。(供稿:万里编辑:张春明)海外文献速报@万里觳煌珹356/SiCp符合材料切削性的机制。研究结果显示,随着切削深度、进给率或切削速度的增加,刀具和材料内SiCp的摩擦会增加,因此增大刀具对材料的切削力。而在A356/SiCp复合材料中添加10%以上的SiC p或施加T6热处理后,不但材料硬度会提升,亦能有效改善材料切削面的表面粗糙度。其次,在刀具的刀腹磨耗方面,最大影响因素为刀具种类和SiCp添加量;即刀具的硬度高,其刀腹磨耗量会明显的降低,但若SiCp添加量增加,刀腹磨耗量则会增加。此外,对于添加10%的Si Cp以上的A356/SiCp复合材料,建议以CBN刀具进行切削,即可获得较佳的切削表面粗糙度和较小的刀腹磨耗量,但对于添加5%的SiCp以下的A356/SiCp复合材料,建议使用镀刀就足够有较佳的切削效果。而以田口品质法所寻获各种A356/SiCp复合材料的最佳切削参数组合,其重显性则甚佳。

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超硬陶瓷刀具的离子注入www.tool-tool.com

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磨削是精密零件的一种传统加工操作。但是,该工艺在某些场 合对环境不友好,且加工成本高。与有明显切削形状的加工不同,磨削使用结合在轮心上形状和取向都不规则的磨粒来切削材料。因此,磨削总是伴有材料切除率低、能耗大和需要冷却剂(废物之源)等问题。随着超硬立方氮化硼(CBN)等先进陶瓷的开发,加工淬硬钢(>55HRC)( 工业术语叫做硬加工)的研究相应地开展起来,以便提供磨削的替代工艺<1>。经过20年的研究,采用CBN刀具的硬加工虽然被用来代替一些粗磨,但因刀具耐用度低、刀具成本较高,尤其是精加工,其应用仍然有限。因此,改善CBN刀具性能一直是扩大硬加工应用的关键之一。本研究探讨了精硬加工用CBN刀具的离子注入。目的是将刀具表面的CBN部分转变成六方氮化硼( HBN)——一种固体润滑剂,从而改善加工的摩擦状况。离子注入就是将高能离子射入工件表面层,形成亚稳纳米结构,通常具有用其它方法所不能获得的高硬度和性能<2>。注入离子的深度分布通常从几纳米到几百纳米不等,主要取决于离子类型、离子能和剂量、以及靶材。注入离子会改变注入区的化学成分,引起剧烈的显微组织变化。此外,由于辐射增强的偏析和扩散,点缺陷和位错环等显微组织变化区的延伸范围可能远远超过注入区,使注入影响区达到几微米左右。注入表面的化学、机械和显微组织性能的重大变化又能改变摩擦学特性。离子注入的优点包括无尺寸变化、梯度功能性能、无黏附问题和处理温度低等因素。但是,离子注入也有注入区浅薄、峰值浓度有限、工艺的视线性,不易注入形状复杂的工件等缺点。离子注入广泛地应用于半导体工业中的硅片制造。在机械零件以及外科假体等生物医学有耐磨性要求的场合也有应用。此外,金属加工行业也利用离子注入来改进模具。在20世纪80年代中期,一些研究人员开始探索将离子注入作为一种改进切削刀具的方法。许多研究都报道刀具耐用度有显著的提高。有一批文献(50多篇)涉及高速钢、硬质合金和涂层刀具,但有关陶瓷刀具材料的文献甚少。不过,近来有结构陶瓷经离子注入应用于摩擦场合。下面评述刀具和陶瓷的离子注入。目的是查明离子注入改善刀具耐用度的机理,以供将来研究刀具离子注入时参考。2文献综述2.1高速钢对不同类型的高速钢刀具,主要是M2,进行过离子注入的研究<3~11>。一般情况下,注入的是氮离子,少数情况则使用碳(C) <9,11>。注入离子能从5keV到200keV不等,剂量则从1×1017离子/cm2 到4×1018离子/cm2不等。此外,随着注入工艺的进步,等离子体源离子注入也被用于高速钢刀具<8>,特别有益于形状复杂的刀具。注入高速钢刀具在车削、钻削和锯切等不同加工操作中进行过试验。报道一致声称,根据刀具磨损带评定,刀具耐用度有所提高,在某些情况下刀具耐用度可提高到2倍<8>。刀具磨损减少机理被认为是由于两种因素所致:(1)注入层形成硬质复合氮化物(-εFex2+N和γ-′Fe4N)引起显微硬度的增加<10>;(2)C单质沉淀引起摩擦的减少<9>。据 Mándl等人观察,注入影响区(称为硬扩散层)深度约达25μm,可能会长时间保持注入效应。另外,W oods和Lam bert<8>指出,在切削过程中注入离子可能因热-机负荷而迁移到较深的区域,因此,即便是注入层被磨掉也能保留注入效应。Y an等人<9>声称,离子注入提高韧性是由于形成了非晶态结构,其中嵌有一种可能改善耐磨性的纳米晶碳化物。Jáhrling等人<11>报道,在碳注入中,注入表面上ε-碳化物的形成可能使刀具磨损机理从黏附磨损转换成磨粒磨损。除了减少刀具磨损以外,Onikura等人<5>也指出,离子注入高速钢刀具能改善零件质量:精度和表面光洁度,这很可能是由于切削力有所降低的缘故。关于加工参数的影响,据W oods和Lam bert观察,离子注入刀具只在中低切削速度时性能较好<8>。但是,B radbury等人反而报道,离子注入效果在高切削速度时可能更好一些<6>。2.2硬质合金一些研究小组探讨过碳化钨硬质合金刀具的离子注入<12~19>。注入过各种离子,其中包括金属离子<镁(Mg)、铝(A l)、钛(T i)、镍(N i)、钨(W)等>,以及非金属离子<碳(C)、氮(N)、氟(F)、氯(C l)、溴(B r)等>,某些例子中还使用过双离子。用来注入硬质合金的离子能从30keV到150keV不等,离子剂量一般约为1017离子/cm2。有关报告显示,加工不同工件材料,主要是钢和钛合金,离子注入能大幅度提高刀具耐用度,提高幅度从50%到4倍不等。曾提出过不同的假设来解释刀具耐用度的改善。辐射诱导的位错网络和硬化(碳化物晶粒或钴粘结剂)导致注入层和注入影响区的显微硬度增加,从而提高耐磨粒磨损性<13,15>。此外,注入引起的显微组织变化 (例如,位错)还能使刀具表面上的残余应力从拉应力转换成压应力,因此可能减少崩刃磨损<12>。另一个假设是注入使摩擦有所减少,尤其是注入Cl<16>。有人认为,注入的C l离子在加工过程中可能迅速地扩散到刀-屑和刀-工件界面,在高切削温度下与钛发生反应,从而提供了界面上的润滑薄膜。V es-novsky<15>认为,离子注入可能由于注入亚稳结构和晶粒尺寸改变而减少扩散磨损。K anazaw a等人<12>指出,离子注入可能使硬质合金刀具磨损机理从黏附、崩刃/破损转换成均匀磨粒磨损。而T reg lio等人<17>则报道,刀具损坏模式并未因注入发生任何变化,相反,注入结构可能会有利于推迟崩刃的发生。V esnovsky等人<19>报道,主切削力和切向分力几乎没有变化,但径向/轴向分力大为增加。作者们认为,径向/轴向分力在很大程度上取决于可能因离子注入而改变的刀具表面性质。Poletika等人<14>也声称,注入所改变的化学区可能在切削过程中迁移到整体,从而延长了其有效持续时间。2.3涂层刀具虽然文献中有几篇涉及涂层硬质合金刀具离子注入的研究报告<17,18,20~23>,但大多数都出自 A.J.Perry及其同事。据Treg lio等人<17>报道,涂层硬质合金刀具以70keV和5×1016离子/cm2注入T i、N i双离子,加工A ISI 4140钢的刀具耐用度可提高1倍以上。作者们认为,离子注入能改善刀具耐用度,是由于形成位错网络结构或非晶态结构的缘故。而注入所引起的残余压应力也被认为同刀具耐用度的改善有关。Perry等人<20>研究过注入TiN涂层的残余应力,发现离子注入可能使T iN涂层上的残余应力从拉应力转换成近于零或压应力。不过,作者们认为,离子注入带来的刀具耐用度提高,不是由于残余应力的变化,而是显微硬度和摩擦学特性(粘聚力)通过涂层促进了刀具耐用度的改善<21>。亦已证实,显微硬度的增加(主要与辐射引起的密实位错有关)可能会使注入影响区延长到几微米。Bull等人<>等人对T iN涂层进行过表征,得出的结论是,摩擦减少和磨损模式改变是由于晶粒细化和表面成分的变化所致。更有趣的是,作者们发现,有大量C从被注入体系进入到T iN表面上,这可能有助于减少摩擦与磨损。M anory等人<22>研究过T iN涂层的离子注入,并声称,加工用最佳注入既要有可减少摩擦的充分非晶性,又要有可获得硬质支承层的足量原质T iN。2.4陶瓷涉及陶瓷刀具离子注入的论文<4,12>只有两篇,发表于20世纪80年代后期。K rishnam urthy<4>研究过氧化物陶瓷刀具(白氧化铝)的氮注入。外加注入能量为90keV,离子剂量为1×1016离子/cm2。为检验注入效果,对铸铁和EN 8钢进行了加工,并根据刀具后面磨损加以评价。结果表明,注入陶瓷刀具的性能优于未注入陶瓷刀具,原因是由于作者们所说的刀具和工件材料之间黏附磨损的减少。离子注入似乎减少了一贯出现于未注入刀具前面的剥落。Kanazaw a等人<12>以断续切削研究过按90keV和3×1017或5×1017离子/cm2进行氮注入的陶瓷刀具,发现离子注入减少了切削刃断裂的发生概率。不过,离子注入在长时间切削中对崩刃或切削刃断裂没有任何影响。离子注入也被用于陶瓷表面的改性,以适应有耐磨性要求的不同应用场合。大多数研究的结论为,摩擦减少是磨损降低的主要机理。离子注入减少摩擦,可能是由于形成光滑氧化物薄层<24>或非晶态结构<26>的缘故。Yu等人<28>将氮离子以25 keV、4×1017离子/cm2剂量注入氮化硼(B4C,一种候选刀具材料),据观察,B 4C表面上有HBN形成,因此表面摩擦有所减少。CBN薄膜的离子注入也作过研究<29~3>,结果表明,离子注入可能会将表面的CBN转变为HBN(一种固体润滑剂)。尽管有证据表明,经离子注入后CBN表面有HBN形成,但HBN的形成机理尚不清楚。据Trehan等人<29>报道,N2+射入CBN能使B和N的局部键合环境从sp3型转换为六角相所特有的sp2型。然而,U llm ann等人<30>认为,如果使用M eV的He和X e离子,位移密度(注入诱导的)便能控制从CBN到HBN网络的转变。总起来说,文献显然证实了离子注入对刀具耐用度改善的影响。不过,由于注入和切削条件的不同,早先的研究只提供了有关刀具离子注入效果的定性信息。显微硬度的增加、残余压应力和润滑似乎是离子注入提高刀具耐用度的三种主要机理。由于注入引起的显微组织变化和刀具磨损过程的复杂性,注入参数和应用范围之间不存在任何直接关系。

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