关于刀具材料的研究论文

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绿色制造技术是以绿色理念为指导，综合运用绿色设计，绿色工艺，绿色包装、绿色生产等为一体的科学技术。下面是我整理了绿色制造技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!

PCBN刀具与绿色制造技术

【摘 要】 聚晶立方氮化硼(简称PCBN)是目前利用人工方法合成的硬度仅次于金刚石的新型刀具材料，这种材料的物理性能、化学性能和优异的干切削特性，使之不仅适用于有色金属及其合金的切削加工，还适用于黑色金属及其合金的切削加工，在满足一定条件要求时，最符合绿色制造技术要求，具有非常广阔的发展前景。

【关键词】 PCBN刀具 绿色制造 切削液 干切削 红硬性

前言：绿色制造是一种现代化制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。绿色制造，又称环境意识制造(Environmentally Conscious Mannufacturing)、面向环境的制造(Manufacturing For Environment)等。它是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响(负作用)最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

保护地球环境是21世纪最优先考虑的课题。在机械加工领域，一些保护环境措施的研究开发及其成果已得到广泛应用。目前，对节约能源和减少废物的主要加工方式，即干式、半干式切削加工技术、微量润滑切削、低温微量润滑切削等绿色切削工艺和应用技术的研究，正在加速进行。

1 切削液的使用对绿色制造技术的影响

在节约能源方面，机械制造中切削液所消耗的功率要占总功率的60%以上，切削液占生产成本的15%，而刀具费用仅占3%～4%; 因此，干式、半干式切削加工技术对节约能源是切实有效的。

减少废弃物方面，主要是减少切削液的废液量。目前研究工作多致力于切削液的长效化和重复循环使用等技术的开发与应用。在切削液长效化(长寿命化)方面，切削液的合成化是开发的项目之一，而合成切削液是以化学合成的油剂为基液来使用的，它和水的亲和性要求我们必须处理产生的废水，切削液的传输、回收、过滤等装置及其维护费用较高，增加了生产成本。切削液还会使滑动部分润滑液被洗掉，切削液的渗漏、溢出会污染环境，易发生安全、质量事故，而且对电气系统产生不良影响。作为高压润滑油添加剂含在高负荷用切削液中的氯系化合物，在高温切削和废油燃烧处理时，可产生剧毒物，并影响加工表面质量，已开始逐步废除。作为清洁生产重要组成部分的绿色切削研究表明：干式切削和高速切削的有机结合将是一种理想的具有高效、低耗、优质、环境污染小、综合效益好的绿色切削，是未来机械切削加工的主流。

2 干切削是绿色切削

干式切削在机械加工中的作用，在于找到一种代替冷却和润滑的方法。目前，比较成功的干式切削法有两种：高速干式切削和低温冷风切削。

高速干式切削法。该加工方法是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。干式切削必须选用适当的切削条件。首先，采用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件间的接触时间，再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。随着数控技术的广泛使用，机床刚性和动态性能不断提高，提高机床的切削速度并非难事。实践证明，当切削参数设置正确时，切削产生的热量80%可被切屑带走。

高速干式切削法的优势。干切削加工工艺已在西方工业发达国家有了相当的应用。由美国Makino公司推荐的“红月牙”(Red Crescent)干切工艺，既可以充分发挥刀具的切削性能，与湿切相比又能大大提高生产率。其机理其实就是金属软化效应：由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近材料达到红热状态，屈服强度下降，进而达到提高切削效率的效果。

高速干式切削法有如下优点：首先，由于它省去了油屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，因此，机床结构紧凑。其次，这种方法极大地改善了加工环境;加工费用也大大降低。为进一步延长刀具寿命、提高工件质量做了保障。

高速干式切削法对刀具的要求。高速干式切削法对刀具有严格的要求：①刀具应具有优异的耐高温性能，可在无切削液条件下工作;②切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小，并辅以排屑良好的刀具结构，减少热量堆积;③干式切削刀具还应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。

总体而言，干切削工艺要求刀具是在较高切削温度下，被切材料强度有明显下降，变得易切削，而刀具材料的强度在同样状态下要有较好的红硬性及热稳定性，还要有较好的耐磨性和抗粘结性。

3 PCBN刀具的使用可实现绿色干切削

PCBN刀具材料。聚晶立方氮化硼PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)是立方氮化硼CBN(Cubic Boron Nitride)颗粒加结合剂在高温高压下的烧结体，而CBN也是利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料。PCBN以优越的切削性能应用于切削加工的各个领域，尤其在高硬度材料、难加工材料的切削加工中更是独树一帜，适用于高速及超高速切削加工技术，能在高切削速度下长时间地加工出高精度零件(尺寸分散性小)，精车后的淬硬钢表面粗糙度可达～，尺寸精度可控制在。大大减少了换刀次数和刀具磨损补偿停机所花费的时间。因此，很适合于数控机床及自动化程度较高的加工设备，并且能使设备的高效能得到充分发挥。

PCBN刀具最符合绿色制造技术要求。立方氮化硼合金(PCBN)的热传导性和热化学稳定性使得之具备很高的热稳定性，加之其较高的硬度、高红硬性、高耐磨性及小摩擦系数，PCBN不仅适用于有色金属及其合金的切削加工，还适用于黑色金属及其合金的切削加工，最符合绿色制造技术要求，能加工如高速钢、硬质合金、陶瓷等传统刀具难以加工的新型工件材料，是国内外公认的用于硬态切削、高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料，主要用于加工淬硬钢、铸铁、高温合金以及表面喷涂材料等。在石油电站设备中使用的高合金耐磨铸铁，采用PCBN刀具较硬质合金刀具提高切削效率4倍以上，单件刀具成本下降为原来的1/5。另外在硬质合金等烧结材料的切削加工方面，PCBN刀具也显示了很好的切削性能。国外的汽车制造业大量使用PCBN刀具切削铸铁材料，PCBN刀具已成为国外主要汽车制造厂家各条生产线上使用的新一代刀具。 PCBN刀具在干切削时的切削参数选择。PCBN刀具在干切削时主要用于精加工和半精加工，它摩擦系数小，排屑流畅，散热速度快于被加工材料，只要选择合适的参数，PCBN材料高温下硬度损失小，加工速度达到一定值后，切削速度与刀具寿命关系便不再符合泰勒公式，切削速度高出一定数值后寿命反而增加，因为干切时切削温度高，PCBN刀具的红硬性和热稳定性，使之高温硬度损失少，而工件材料在高温下硬度损失大，硬度降低后更易于切削(简称金属软化效应)，使切削加工更易于进行而不需要使用切削液。PCBN这些特性非常适于干切削加工高硬度材料，以车削、铣削、钻削代磨削可获得以往只有用磨削加工才能得到的加工表面质量，前提条件是正确选择切削参数。

在选择刀道具几何参数时，往往刀尖部分研磨成圆弧(γε=～)来增强刀尖强度，刀刃研磨出负倒棱来增强切削刃强度，取小后角(?艽6°)，前角?艽0°、后倾角=0°，主偏角依据机床刚度在45°～60°之间进行调整，具体根据加工情况而定。

在切削用量的选择方面，切削速度、深度、进给量的选择均根据PCBN刀具材料的特有性能决定。如：高速或超高速的切削速度、1mm以下但不过于小的切削深度以及选择大的进给量(目的是为了产生金属软化效应)，三方面的指标综合调整，使得高硬度材料的切削加工精度高，工件表面完整性好，切削表面纹理整齐、光亮、Ra?艽8μm，几乎不破坏工件表面组织、不产生退火软化层、无变质层，达到以车代磨的目的，可以降低成本，取得良好的经济效益。

4 结束语

综上所述，先进制造技术是当今世界制造业发展的主体技术，绿色制造技术是人们重视环境和合理利用资源的必然结果。干切削制造技术作为一种绿色制造的工艺，对于节省资源，保护环境和降低成本具有重要意义，而PCBN刀具非常适合硬态材料的干切削。经过十几年，尤其是近几年高速切削技术及刀具材料、涂层技术的不断研究突破，加之对环境要求的法律法规越来越严格，绿色制造技术的应用已越来越广泛，PCBN刀具材料的应用必将更加广泛。

参考文献

1 郭丽君.PCBN刀具在切削加工中的应用.农机化研究，2005(11)：205-206

2 谢国如.PCBN刀具在干切削中的应用研究.机械工程师，2006(2)：82-83

3 蒋向东.聚晶立方氮化硼刀具的性能及其选用.农机化研究，2006(2)：133-134

4 互联网.PCBN刀具在中国市场的应用现状与思考.中华机械网，2009-04-01

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预防性维护的关键是加强日常保养，主要的保养工作有下列内容： 1. 日检 其主要项目包括液压系统、主轴润滑系统、导轨润滑系统、冷却系统、气压系统。日检就是根据各系统的正常情况来加以检测。例如，当进行主轴润滑系统的过程检测时，电源灯应亮，油压泵应正常运转，若电源灯不亮，则应保持主轴停止状态，与机械工程师联系。进行维修。 2. 周检 其主要项目包括机床零件、主轴润滑系统，应该每周对其进行正确的检查，特别是对机床零件要清除铁屑，进行外部杂物清扫。 3. 月检 主要是对电源和空气于燥器进行检查。电源电压在正常情况下额定电180V-220V，频率50Hz，如有异常，要对其进行测量、调整。空气于燥器应该每月拆一次，然后进行清洗、装配。 4. 季检 季检应该主要从机床床身、液压系统、主轴润滑系统三方面进行检查。例如，对机床床身进行检查时，主要看机床精度、机床水平是否符合手册中的要求，如有问题，应马上和机械工程师联系。对液压系统和主轴润滑系统进行检查时，如有问题，应分别更换新油6oL和20L，并对其进行清洗。 5. 半年检 半年后，应该对机床的液压系统、主轴润滑系统以及X轴进行检查，如出现毛病，应该更换新油，然后进行清洗工作。 全面地熟悉及掌握了预防性维护的知识后，还必须对油压系统异常现象的原因与处理有更深的了解及必要的掌握。如当油泵不喷油、压力不正常、有噪声等现象出现时，应知道主要原因有哪些，有什么相应的解决方法。对油压系统异常现象的原因与处理，主要应从三方面加以了解： (1) 油泵不喷油 主要原因可能有油箱内液面低、油泵反转、转速过低、油粘度过高、油温低、过滤器堵塞、吸油管配管容积过大、进油口处吸人空气、轴和转子有破损处等，对主要原因有相应的解决方法，如注满油、确认标牌，当油泵反转时变更过来等。 (2) 压力不正常 即压力过高或过低。其主要原因也是多方面的，如压力设定不适当、压力调节阀线圈动作不良、压力表不正常、油压系统有漏等。相应的解决方法有按规定压力设置拆开清洗、换一个正常压力表、按各系统依次检查等。 (3) 有噪声 噪声主要是由油泵和阀产生的。当阀有噪声时，其原因是流量超过了额定标准，应该适当调整流量；当油泵有噪声时，原因及其相应的解决办法也是多方面的，如油的粘度高、油温低，解决方法为升油温；油中有气泡时，应放出系统中的空气等等。 总而言之，要想做好数控机床的预防性维护工作。

超精密加工与超高速加工技术一、技术概述超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150-1000m/min，纤维增强塑料为2000-9000m/min。各种切削工艺的切速范围为：车削700-7000m/min，铣削300-6000m/min，钻削200-1100m/min，磨削250m/s以上等等。超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于μ m，表面粗糙度Ra小于μ m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于μ m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。二、现状及国内外发展趋势1．超高速加工工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等，美国G．E公司50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s，有的可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。因此有人认为，随着新刀具（磨具）材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。在超高速切削技术方面，1976年美国的Vought公司研制了一台超高速铣床，最高转速达到了20000rpm。特别引人注目的是，联邦德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）从1978年开始系统地进行超高速切削机理研究，对各种金属和非金属材料进行高速切削试验，联邦德国组织了几十家企业并提供了2000多万马克支持该项研究工作，自八十年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000-40000r/min，工作台快速移动速度为36~40m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60m/min。在高速和超高速磨削技术方面，人们开发了高速、超高速磨削、深切缓进给磨削、深切快进给磨削（即HEDG）、多片砂轮和多砂轮架磨削等许多高速高效率磨削，这些高速高效率磨削技术在近20年来得到长足的发展及应用。德国Guehring Automation公司1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kw强力CBN砂轮磨床，Vs达到140-160m/s。德国阿享工业大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、因康镍合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。德国Bosch公司应用CBN砂轮高速磨削加工齿轮齿形，采用电镀CBN砂轮超高速磨削代替原须经滚齿及剃齿加工的工艺，加工16MnCr5材料的齿轮齿形，Vs＝155m/s，其Q达到811mm3/，德国Kapp公司应用高速深磨加工泵类零件深槽，工件材料为100Cr6轴承钢，采用电镀CBN砂轮，Vs达到300m/s，其Q`＝140mm3/，磨削加工中，可将淬火后的叶片泵转子10个一次装夹，一次磨出转子槽，磨削时工件进给速度为，平均每个转子加工工时只需10秒钟，槽宽精度可保证在2μ m，一个砂轮可加工1300个工件。目前日本工业实用磨削速度已达200m/s，美国Conneticut大学磨削研究中心，1996年其无心外圆高速磨床上，最高砂轮磨削速度达250m/s。近年来，我国在高速超高速加工的各关键领域如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距，必须急起直追。2．超精密加工超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝μ m），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件?2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为，加工表面粗糙度为。该机床与该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达μ m ，表面粗糙度Ra<10nm。日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达μ m的精密轴承、JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动－位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。此外中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。超精密加工技术发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加工技术达到和完成纳米加工技术的关键十年。三、“十五”目标及主要研究内容1．目标超高速加工到2005年基本实现工业应用，主轴最高转速达15000r/min，进给速度达40-60m/min，砂轮磨削速度达100-150m/s；超精密加工基本实现亚微米级加工，加强纳米级加工技术应用研究，达到国际九十年代初期水平。2．主要研究内容（1）超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。（2）超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。（3）超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制；精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；机械传动链静、动刚度研究；加减速控制技术研究；精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速加工（包括难加工材料）用刀具磨具材料及制备技术，使刀具的切削速度达到国外工业发达国家90年代末的水平，磨具的磨削速度达到150m/s以上。（5）超高速加工测试技术研究。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术，对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。（6）超精密加工的加工机理研究。“进化加工”及“超越性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。（7）超精密加工设备制造技术研究。纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。（8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术研究。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。（9）精密测量技术及误差补偿技术研究。纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。（10）超精密加工工作环境条件研究。超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究希望能帮到你．哈哈！本人就是从事精密机械生产，模具加工的，转载地址：来源: