磨料磨具 據(jù)說對(duì)硬質(zhì)合金刀具磨削液的使用，90%的人都沒

切削液與刀具的發(fā)展歷程回顧

切削液是金屬切削加工過程中必不可少的重要配套材料。人類使用切削液的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代。人們發(fā)現(xiàn)，澆水可以提高石器、銅器和鐵器的制造效率和質(zhì)量。在古羅馬的古典文化時(shí)期（約 公元前600年一公元400年），工匠在車削活塞泵的鑄件時(shí)使用了橄欖 油。1775年，英國(guó)發(fā)明家約翰?威 爾金森(John wilkinson )研制成功 了一種具有較高精度的炮筒鏜床， 該設(shè)備次年用于加工瓦特蒸汽機(jī)的氣缸。從此時(shí)起，水和油開始被作為切削介質(zhì)在金屬切削加工中應(yīng)用。此后直至1860年，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了用于車、銑、 刨、磨、齒輪加工和螺紋加工等的各種機(jī)床；與此同時(shí)，切削液也得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。

19世紀(jì)80年代，美國(guó)最早開始了對(duì)切削液性能的評(píng)價(jià)工作。泰勒 (F.W.Taylor)發(fā)現(xiàn)，用碳酸鈉水溶液沖洗刀具和加工件可使切削速度 提高30% ~ 40%。由于當(dāng)時(shí)使用的刀具材質(zhì)是碳素工具鋼，而切削液 的主要作用是冷卻，因此，切削液也被稱為冷卻劑。

隨著人們對(duì)切削液認(rèn)識(shí)水平的不斷提高以及切削加工經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，發(fā)現(xiàn)在切削區(qū)澆注油性劑能獲得良好的加工表面。早期人們采 用動(dòng)植物油作為切削液，能夠獲得較高的切削速度，并排出切屑；但 動(dòng)植物油有易變質(zhì)、使用周期短等缺點(diǎn)。20世紀(jì)初，開始使用從原油中提煉的潤(rùn)滑油，同時(shí)出現(xiàn)了不同種類性能優(yōu)異的潤(rùn)滑添加劑。1924 年，含硫、氯的切削油獲得了專利，并成功應(yīng)用于重負(fù)荷切削、拉削、螺紋和齒輪加工。

同時(shí)，刀具材料也在快速發(fā) 展，進(jìn)而推動(dòng)了切削液的發(fā)展。

1898年發(fā)明的高速鋼使得切削速度比之前提高了2~ 4倍。1923年， 德國(guó)的施勒特爾在碳化鎢粉末中加 入10% ~ 20% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的鈷作為黏結(jié)劑，發(fā)明了一種含有碳化鎢和鈷的硬質(zhì)合金。以這種硬質(zhì)合金制成的刀具的切削速度比高速鋼刀具提高了2~5倍。隨著切削速度和切削溫度的提高，油基切削液的冷卻性能已無(wú)法完全滿足切削要求，這時(shí)水基切削液因冷卻性能優(yōu)良又得到了重視。1915年出現(xiàn)了水包油型乳化液，并于1920年被推薦優(yōu)先用于重負(fù)荷切削。1948年，美國(guó)Cimcool公司首先研制出一種不含油的水基合成切削液。此后，其他公司紛紛開展了相關(guān)產(chǎn)品的研制工作，推動(dòng)了切削液技術(shù)的發(fā)展。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全球制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，金屬加工面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)加工的高精度化、高速化、自動(dòng)化、多功能化 和高生產(chǎn)率化，切削刀具要求有更高的強(qiáng)度和韌性，并具備長(zhǎng)壽命、 高可靠性、耐高溫、耐磨損、抗氧化和抗沖擊等特點(diǎn)。這對(duì)于切削刀具的設(shè)計(jì)和制造以及金屬加工液產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用提出了新的要求。

刀具的分類

按運(yùn)動(dòng)切削方式、工件加工表面形式及材料不同，刀具可分為3類，見圖1。

不同類型刀具的外觀見 圖2

硬質(zhì)合金刀具及其特點(diǎn)

在各類刀具中，目前應(yīng)用最多的是硬質(zhì)合金刀具。

所謂硬質(zhì)合金，是指由碳化物(主要為碳化鎢WC、碳化鈦TiC、 碳化鉭TaC和碳化鈮NbC )與金屬黏接劑鈷通過粉末冶金制成的合金。硬質(zhì)合金的主要特點(diǎn)為:

?硬度高，HV硬度為1300 ~1800 kg/mm2；

?屈服強(qiáng)度較高，達(dá)到4600-6000 MPa，抗塑性變形能力好；

?導(dǎo)熱系數(shù)較小，為 0.07-0.19 W/ ( m ? k ),加工時(shí)如何減少熱量的產(chǎn)生和帶走熱量是一 大難點(diǎn)；

?熱膨脹系數(shù)較低，為5 X 10- 6~6.5x10-6 °C，約為鋼的1/3;

?脆性較大。

以硬質(zhì)合金深孔鉆頭和整體硬質(zhì)合金刀具為例，硬質(zhì)合金刀具的典型制造工藝路線見表1。

帶內(nèi)冷鉆頭的刀具見圖3,硬質(zhì) 合金深孔鉆頭見圖4。

由于硬質(zhì)合金刀具材料本身硬度高，脆性大，導(dǎo)熱系數(shù)小磨料磨具，因而給刀具的刃磨，尤其是磨削余量較大的整體硬質(zhì)合金刀具的刃磨帶來(lái) 很大困難。其中：

?刀具材料硬度高，要求有較大的磨削壓力；

?刀具材料導(dǎo)熱系數(shù)低，不允許產(chǎn)生過大的磨削熱量；

?刀具材料脆性大，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的可能性增大。

因此，硬質(zhì)合金刀具的刃磨既要求砂輪有較好的自銳性，又要求有合理的刃磨工藝以及良好的冷卻性。

在刃磨硬質(zhì)合金刀具時(shí)，如果磨削溫度高于600°C，刀具表面就會(huì)產(chǎn)生氧化變色，造成不同程度的磨削燒傷；嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使硬質(zhì)合金 刀具產(chǎn)生裂紋。這些裂紋一般比較細(xì)小，裂紋附近磨削表面常有藍(lán)、 紫、褐、黃等相間的不同的鎢氧化物顏色。

硬質(zhì)合金刀具制造所使用的磨削油液

對(duì)于刀具制造商來(lái)說，在刀具制造過程中，除了需要考慮設(shè)備、 砂輪等因素，一個(gè)不可忽視的問題就是合理選擇磨削液與磨削油。

磨削液的選擇

硬質(zhì)合金材料本身硬度較高，脆性較大，磨削加工溫度可達(dá)1000 °C左右，但產(chǎn)生的大量熱量中只有15%隨磨屑帶走，8%隨工件帶走。對(duì)于應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具制造的磨削液，其應(yīng)具備如下性能特點(diǎn)：

?較好的潤(rùn)滑性能、極壓性能；

?優(yōu)異的冷卻性能，可以及時(shí)沖走磨削產(chǎn)生的磨屑和砂輪磨損的砂粒；

?較好的抗泡性，確保磨削液在大流量和高速磨削狀態(tài)時(shí)不產(chǎn)生泡沫，有效保證冷卻性和清洗性；

?有效防止鈷的析出。

硬質(zhì)合金刀具的工作部分見圖5,使用磨削液時(shí)的硬質(zhì)合金刀具磨削加工現(xiàn)場(chǎng)見圖6。

磨削油的選擇

與磨削液相反磨料磨具，使用磨削油的首要目的不是為切削區(qū)域降溫，而是通過提供高潤(rùn)滑性來(lái)減少熱量的產(chǎn)生。通常對(duì)應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具制造的磨削油的要求如下：

?采用具有更高閃點(diǎn)和更低蒸發(fā)性的品質(zhì)較好的基礎(chǔ)油，如氫化裂解基礎(chǔ)油或者合成基礎(chǔ)油，這樣在同等黏度條件下，可大大減少油品損耗，提高工作環(huán)境的整潔程度。

?磨削油具有合適的黏度，保證油品有優(yōu)良的沖洗性能和沉降性能。

?磨削油采用合理的配方體系，如避免使用含硫和氯的極壓添加劑，防止磨削油對(duì)機(jī)床有色金屬部件產(chǎn)生腐蝕。

使用磨削油時(shí)，硬質(zhì)合金刀具、鉆頭的高速磨削加工現(xiàn)場(chǎng)分別見圖7、圖8。

其他注意事項(xiàng)

傳統(tǒng)的碳化硅砂輪由于存在磨削效率較低、磨削力較大以及磨削接觸區(qū)表面局部溫度高（1100°C 左右）等缺點(diǎn)，導(dǎo)致存在刀具刃口質(zhì)量差、表面粗糙度差和廢品率高等缺陷，已經(jīng)被逐漸淘汰。

目前刀具制造中廣泛使用的是金剛石砂輪（圖9 )。金剛石砂輪磨削效率高，磨削力較小，自銳性好，刃口鋒利，不易鈍化，且磨削接觸區(qū)表面局部溫度較低（400°C 左右）。

對(duì)于砂輪的結(jié)合劑，主要有2種選擇：

?金屬結(jié)合劑：其導(dǎo)熱性好， 磨削力大，磨削效率高，主要用于粗開槽工序（磨溝槽）的粗磨和精磨，粒度可以選擇120~140目（篩 尺寸0.106 ~ 0.125 mm )。

?樹脂結(jié)合劑：其潤(rùn)滑性好， 磨削力較小，自銳性好，主要用于開齒工序（前后刀面、端齒槽、 偏背去余量等工序的總稱）的粗磨和精磨，粒度分別選擇80 ~ 120 目（篩孔尺寸0.125~0.180 mm )與200 ~ 240目（篩孔尺寸0.061 ~ 0.075 mm )。

結(jié)束語(yǔ)

目前刀具磨削的關(guān)鍵設(shè)備都是五軸磨床，但必須強(qiáng)調(diào)的是，磨削油/液的正確使用對(duì)于保證設(shè)備的生產(chǎn)效率非常重要。由于砂輪在高速、高溫磨削中急劇升溫，熱量很難快速散出。只有依靠合適的磨削油/液才能夠讓磨削溫度保持在正常工作范圍內(nèi)，從而降低砂輪損耗，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)保證刀具的質(zhì)量。部分客戶為了 “節(jié)約成本”而 使用普通磨削油/液進(jìn)行冷卻，不但會(huì)在磨削過程中產(chǎn)生大量煙霧，而且會(huì)影響刀具質(zhì)量，并且極大地縮短砂輪壽命，這是不可取的。筆者建議，應(yīng)根據(jù)砂輪類型、加工尺寸等因素來(lái)選擇合適的磨削油/液。

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