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    刀具材料的种类、性能、特点、应用
    1.金刚石刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用金刚石是碳的同素异构体,它是自然界已经发现的*硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能,在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中,金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。⑴ 金刚石刀具的种类:① 天然金刚石刀具;② PCD金刚石刀具;③ CVD金刚石刀具⑵ 金刚石刀具的性能特点:① 极高的硬度和耐磨性;② 具有很低的摩擦系数;③ 切削刃非常锋利;④ 具有很高的导热性能;⑤ 具有较低的热膨胀系数⑶ 金刚石刀具的应用及非金属材料进行精细切削及镗孔。适合加工各种耐磨非金属,如玻璃钢粉末冶金毛坯,陶瓷材料等;各种耐磨有色金属,如各种硅铝合金;各种有色金属光整加工。金刚石刀具的不足之处是热稳定性较差,刀具破损切削温度超过700℃~800℃时,就会完全失去其硬度;此外,它不适于切削黑色金属,因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子作用,使碳原子转化为石墨结构,刀具极易损坏。2.陶瓷刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用▲ 折影牌折叠陶瓷刀陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能好、耐热性和化学稳定性优良等特点,且不易与金属产生粘接。陶瓷刀具材料使用的主要原料是地壳中*丰富的元素,因此,陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节省战略性贵重金属具有十分重要的意义,也将极大促进切削技术的进步。⑴ 陶瓷刀具材料的种类:①氧化铝基陶瓷;②氮化硅基陶瓷;③复合氮化硅一氧化铝基陶瓷⑵ 陶瓷刀具的性能、特点:① 硬度高、耐磨性能好;② 耐高温、耐热性好;③ 化学稳定性好;④ 摩擦系数低⑶ 陶瓷刀具有应用① 陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削加工各种铸铁和钢材,也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。②陶瓷刀具材料性能上存在着抗弯强度低、冲击韧性差问题,不适于在低速、冲击负荷下切削。
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    刀具选择正确的涂层
    涂层也有助于提高刀具的切削性能。目前的涂层技术包括:(1)氮化钛(TiN)涂层:这是一种通用型PVD和CVD涂层,可以提高刀具的硬度和氧化温度。(2)碳氮化钛(TiCN)涂层:通过在TiN中添加碳元素,提高了涂层的硬度和表面光洁度。(3)氮铝钛(TiAlN)和氮钛铝(AlTiN)涂层:氧化铝(Al2O3)层与这些涂层的复合应用可以提高高温切削加工的刀具寿命。氧化铝涂层尤其适合干式切削和近干切削。AlTiN涂层的铝含量较高,与钛含量较高的TiAlN涂层相比,具有更高的表面硬度。AlTiN涂层通常用于高速切削加工。(4)氮化铬(CrN)涂层:这种涂层具有较好的抗粘结性能,是对抗积屑瘤的**解决方案。(5)金刚石涂层:金刚石涂层可以显着提高加工非铁族材料刀具的切削性能,非常适合加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金和其他高磨蚀性材料。但金刚石涂层不适合加工钢件,因为它与钢的化学反应会破坏涂层与基体的粘附性能。近年来,PVD涂层刀具的市场份额有所扩大,其价格也与CVD涂层刀具不相上下。CVD涂层的厚度通常为5-15μm,而PVD涂层的厚度约为2-6μm。在涂覆到刀具基体上时,CVD涂层会产生不受欢迎的拉应力;而PVD涂层则有助于对基体形成有益的压应力。较厚的CVD涂层通常会显着降低刀具切削刃的强度。因此,CVD涂层不能用于要求切削刃非常锋利的刀具。在涂层工艺中采用新的合金元素可以改善涂层的粘附性和涂层性能。例如,伊斯卡企业的3PSumoTec处理技术能提高PVD和CVD两类涂层的韧性、光滑程度和抗崩刃性能。同样,该工艺还能消除PVD涂层时在涂层表面产生的有害液滴,从而使涂层表面更光滑,使刀片在加工时切削温度更低、寿命更长、形成更理想的切屑流,以及能采用更高的切削速度。复合涂层具有很好的耐磨性和抗崩刃性,非常适合用于高速切削铸铁的各种刀片牌号,其预期的切削速度可达到650-1200sfm以上(取决于工件材料的类型和加工条件)。
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    刀具基体改变
    通过在1~5μm范围内改变碳化钨的粒度,刀具制造商可以改变硬质合金刀具的基体性能。基体材料的粒度对于切削性能和刀具寿命起着重要作用。粒度越小,刀具的耐磨性越好。反之,粒度越大,刀具的强韧性越好。细颗粒基体主要用于加工航空牌号材料(如钛合金、Inconel合金和其他高温合金)的刀片。此外,将硬质合金刀具材料的钴含量提高6%~12%,可以获得更好的韧性。因此,可以通过调整钴含量来满足特定切削加工的要求,无论这种要求是韧性还是耐磨性。刀具破损基体的性能还可以通过在接近外表面处形成富钴层,或者通过在硬质合金材料中有选择性地添加其他合金元素(如钛、钽、钒、铌等)而获得增强。富钴层可以显着提高切削刃强度,从而提高粗加工和断续切削刀具的性能。此外,在选择与工件材料和加工方式相匹配的刀具基体时,还表现考虑另外5种基体特性——断裂韧性、横向断裂强度、抗压强度、硬度和耐热冲击性能。例如,如果硬质合金刀具出现沿切削刃崩刃的现象,就应该选用具有较高断裂韧性的基体材料。而在刀具出现切削刃直接失效或破损的情况下,可能采用的解决方案是选用具有较高横向断裂强度或较高抗压强度的基体材料。对于切削温度较高的加工场合(如干式切削),通常应该**硬度较高的刀具材料。在可以观察到刀具产生热裂纹的加工场合(在铣削加工中*常见),建议选用耐热冲击性能较好的刀具材料。对刀具基体材料的优化改进可以提高刀具的切削性能。
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    刀具监视系统的应用分析
    机床的基础性能决定了产线的基本配置,然而实际的加工效果则需要刀具来保证。在主轴与刀柄之间哪怕存在着极微小的异物,也会造成铣镗刀具装卡不准确,导致次品率上升和停机事故频发,传感器辅助的监视系统可以有效阻止此类事故的发生。以传动机构部件为例,此类部件必须实现高精度加工,以达到高效运行并确保*大的安全性能。但是,一旦切屑和废料等异物进入到加工接触面,铣床的精度就会丧失殆尽。异物将会在接触面上沉积下来,并在各接触面之间生成一条缝隙。机床的基础性能决定了产线的基本配置,然而实际的加工效果则需要刀具来保证。在主轴与刀柄之间哪怕存在着极微小的异物,也会造成铣镗刀具装卡不准确,导致次品率上升和停机事故频发,传感器辅助的监视系统可以有效阻止此类事故的发生。以传动机构部件为例,此类部件必须实现高精度加工,以达到高效运行并确保*大的安全性能。但是,一旦切屑和废料等异物进入到加工接触面,铣床的精度就会丧失殆尽。异物将会在接触面上沉积下来,并在各接触面之间生成一条缝隙。▲汽车传动部件刀具监控在以复合加工工艺和联合机床为特征的批量加工汽车产品部件时,单台设备和流程均可对整条生产流水线的加工过程和质量产生影响。因装夹精度不足而造成的机床加工误差往往要到下一道质量控制环节时才能被发现。除了产生残次品部件之外,这样的事件还会导致单台设备或整条生产线的停机。同时,查找和排除故障、识别工件和重新运行所需跟踪时间都会产生额外的费用。▲监视系统被集成到刀具主轴上,由此该电子组件可以在旋转的主轴上自行工作。
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    切削过程进行监控的注意事项
    1.加工过程监控 粗加工主要考虑的是工件表面的多余余量的快速切除。在机床自动加工过程中,根据设定的切削用量,刀具按预定的切削轨迹自动切削。此时操编辑应注意通过切削负荷表观察自动加工过程中的切削负荷变化情况,根据刀具的承受力状况,调整切削用量,发挥机床的*大效率。2.切削过程中切削声音的监控 在自动切削过程中,一般开始切削时,刀具切削工件的声音是稳定的、连续的、轻快的,此时机床的运动是平稳的。随着切削过程的进行,当工件上有硬质点或刀具破损或刀具送夹等原因后,切削过程出现不稳定,不稳定的表现是切削声音发生变化,刀具与工件之间会出现相互撞击声,机床会出现震动。此时应及时调整切削用量及切削条件,当调整效果不明显时,应暂停机床,检查刀具及工件状况。精加工过程监精加工,主要是保证工件的加工尺寸和加工表面质量,切削速度较高,进给量较大。此时应着重注意积屑瘤对加工表面的影响,对于型腔加工,还应注意拐角处加工过切与让刀。对于上述问题的解决,一是要注意调整切削液的喷淋位置,让加工表面时刻处于*佳]的冷却条件;二是要注意观察工件的已加工面质量,通过调整切削用量,尽可能避免质量的变化。如调整仍无明显效果,则应停机检察原程序编得是否合理。特别注意的是,在暂停检查或停机检查时,要注意刀具的位置。如刀具在切削过程中停机,突然的主轴停转,会使工件表面产生刀痕。一般应在刀具离开切削状态时,考虑停机。刀具的质量很大程度决定了工件的加工质量。在自动加工切削过程中,要通过声音监控、切削时间控制、切削过程中暂停检查、工件表面分析等方法判断刀具的正常磨损状况及非正常破损状况。要根据加工要求,对刀具及时处理,防止发生由刀具未及时处理而产生的加工质量问题。
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