不同材料的刀具应该怎么选择切削液

随着模具工业技术的不断发展和进步,新材料、新工艺不断涌现,在模具零件数控加工过程中选择合适的切削液对于保证产品加工质量、提高加工效率、减少环境污染都是至关重要的。

切削液通常也被称为“冷却液” , 在金属加工过程中它除具有润滑、冷却、排屑、防锈的功能外, 还具有防泡沫、对环境友好、抗菌等功能。切削液的选用与工件表面质量和加工精度有关, 还与被加工材料、加工工艺过程以及刀具材料密切相关。中讯润滑油工程师就数控刀具的常用材料与切削液的选用的关系进行探讨,旨在帮助工程技术人员正确使用切削液及有效利用数控刀具。

一、数控刀具典型材料

1.高速钢:

高速钢是加人了较多的钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度(62HRC ~ 67HRC)和耐热性,在切削温度高达500 ~ 650 ℃时仍能进行切削;高速钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的2 ~ 3 倍, 陶瓷的5 ~ 6 倍)、韧性好, 可在有冲击、振动的场合应用;它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。高速钢的制造工艺性好, 容易磨出锋利的切削刃, 适于制造各类刀具, 尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。

高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢;按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

2.硬质合金:

硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(WC 、TiC 等)和金属粘结剂(Cr 、Ni 等)在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89HRA ~ 93HRA , 760 ℃时其硬度为77HRA ~ 85HRA ,在800 ~ 1 000 ℃时硬质合金还能进行切削, 刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍, 可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差, 常温下的冲击韧性仅为高速钢的1 8 ~ 130 , 因此, 硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。表1 是硬质合金的几种类型。

3.陶瓷刀具:

陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温力学性能, 与金属的亲合力小, 不易与金属产生粘结, 并且化学稳定性好。陶瓷刀具主要应用于钢、铸铁及其合金和难加工材料的切削加工, 可以用于超高速切削、高速切削和硬材料切削。

4.超硬刀具:

超硬材料是指人造金刚石和立方氮化硼(简称CBN), 以及用这些粉末与结合剂烧结而成的聚晶金刚石(简称PCD)和聚晶立方氮化棚(简称PCBN)等。

超硬材料具有优良的耐磨性, 主要应用于高速切削及难切削材料的加工。

二、常见切削液的种类

为适应不同的加工工艺要求, 切削液有很多品种, 按化学组成和状态可分为水基切削液和油基切削液两大类。一般用水稀释而成的切削液称为水基切削液, 不需要用水稀释而使用的切削液称为油基切削液。水基切削液以冷却为主, 润滑性能较差,常用的水基切削液有:防锈乳化液、防锈润滑剂乳化液、极压乳化液、微乳液等;油基切削液以润滑作用为主, 冷却作用和清洗作用较差, 常用的油基切削液有:纯矿物油、脂肪油(或油性添加剂)+矿物油、非活性极压切削油、活性极压切削油等。几种主要切削液的组成及应用特点如表2 所示。

三、切削液的合理选用

1.高速钢刀具:

这种材料是以铬、镍、钨、钼、钒(有的还含有铝)为基础的高级合金钢, 它们的耐热性明显比工具钢高, 允许的最高温度可达600 ℃。与其他耐高温的金属和陶瓷材料相比, 高速钢有一系列优点, 特别是它有较高的韧性, 适合于几何形状复杂的工件和连续的切削加工, 而且高速钢具有良好的可加工性和价格上容易被接受的特点 。

由于高速钢刀具红硬性差, 使用中需采用切削液。低速和中速切削时, 建议采用油基切削液或乳化液。在高速切削时, 由于发热量大, 以采用水基切削液为宜。若使用油基切削液会产生较多油雾, 污染环境, 而且容易造成工件烧伤, 加工质量下降, 刀具磨损增大。另外, 粗加工时建议采用极压水溶液或极压乳化液, 而精加工时采用极压乳化液或极压切削油, 以减小摩擦, 提高表面质量和精度, 延长刀具寿命。

2.硬质合金刀具:

硬质合金是由碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和5 %~ 10 %的钴组成, 它的硬度大大超过高速钢, 最高允许工作温度可达1 000 ℃, 具有优良的耐磨性能, 在加工钢铁材料时, 可减少切屑间的粘结现象。

由于硬质合金刀具红硬性好, 在加工一般的材料时, 一般不加切削液而采用干切削, 但在干切削时, 工件温升较高, 使工件易产生热变形, 影响工件加工精度, 而且在没有润滑剂的条件下进行切削, 由于切削阻力大, 使功率消耗增大, 刀具的磨损也加快。硬质合金刀具价格较贵, 所以从经济方面考虑,干切削也是不合算的。

在选用切削液时, 要考虑硬质合金对骤热的敏感性, 尽可能使刀具均匀受热, 否则会导致崩刃。一般油基切削液的热传导性能较差, 使刀具产生骤冷的危险性要比水基切削液小, 所以一般选用含有抗磨添加剂的油基切削液为宜。在使用切削液进行切削时,要注意均匀地冷却刀具, 最好在开始切削之前预先冷却刀具。对于高速切削, 要用大流量切削液喷淋切削区, 以免造成刀具受热不均匀而产生崩刃, 亦可减少由于温度过高产生蒸发而形成的油烟污染。

3.陶瓷刀具:

这种材料采用氧化铝、金属和碳化物在高温下烧结而成, 它的高温耐磨性比硬质合金还要好, 故一般采用干切削。考虑到均匀的冷却和避免温度过高, 也常使用水基切削液, 但最好连续、充分的浇注,不要间断。

4.金刚石刀具:

具有极高的硬度, 一般使用干切削。为避免温度过高, 也像陶瓷材料一样, 许多情况下采用水基切削液。

四、结论

根据不同的刀具材料合理选择切削液, 不仅能提高工件的表面质量和加工精度, 而且能减小工件的热变形和刀具的磨损, 提高刀具的耐用度、降低生产成本, 提高生产效率, 故在生产中应加以重视。

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