干式切削

　　產(chǎn)生背景

　　首先，要了解切削液在傳統(tǒng)切削過程中的作用。切削液通常是大多數(shù)機加工中不可缺少的生產(chǎn)要素之一，對保證加工精度、提高表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要作用。隨著全球環(huán)境意識的增強以及環(huán)保法規(guī)的要求越來越嚴格，切削液對環(huán)境的負面作用也越來越明顯。據(jù)統(tǒng)計，二十年前，切削液的費用不到工件成本的3%左右，目前，在高生產(chǎn)率的生產(chǎn)企業(yè)，切削液的供給、保養(yǎng)及回收處理費用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具費用僅占2%-5%。在與切削液有關(guān)的總費用中，有22%左右是切削液的處理費用。據(jù)估計，如果20%的切削加工采用干式切削加工，總的制造成本可降低1.6%。對環(huán)境無污染的綠色制造被認為是可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代制造業(yè)模式。而在加工過程中不用任何切削液的干切削正是控制環(huán)境污染源頭的一項綠色制造工藝，它可獲得潔凈、無污染的切屑，省去了切削液及其處理等大量費用，可進一步降低生產(chǎn)成本3。因此，未來切削加工的方向是不用或用盡量少的切削液。隨著耐高溫刀具材料和涂層技術(shù)的發(fā)展，使得干加工在機械制造領(lǐng)域變?yōu)榭赡?。干切?DryCutting)技術(shù)就是在這樣的歷史背景下應運而生，并從九十年代中期以來迅速發(fā)展起來的，其發(fā)展歷史至今不過十年，是先進制造技術(shù)的一個前沿研究課題。

　　特點

　　（1）切屑干凈清潔無污染，易于回收和處理
　?。?）省去了切削液傳輸，回收，過濾等裝置及相應的費用，簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)成本
　　（3）省去了切削液與切屑的分離裝置及相應的電氣設(shè)備。機床結(jié)構(gòu)緊湊，減少占地面積
　　（4）不會產(chǎn)生環(huán)境污染
　?。?）不會產(chǎn)生與切削液有關(guān)的安全事故及質(zhì)量事故。

　　實施條件

　　干式切削的刀具技術(shù)

　　（1）刀具應具有優(yōu)異的耐熱性能(高溫硬度)與耐磨性能
　?。?）盡量減小刀具與切屑間的摩擦系數(shù)
　　（3）減少對切削液排屑作用的依賴

　　干式切削的機床技術(shù)

　　切削熱傳出和切屑、塵埃的排出要迅速。

　　干式切削的工藝技術(shù)

　　應特別注意刀具材料與工件材料間的合理匹配。

　　采用新型的刀具材料

　　近十幾年，高硬度材料的出現(xiàn)，為干式切削提供了可能。干切削不僅要求刀具材料具有極高的紅硬性和熱韌性，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性。目前應用于干式切削加工的刀具材料主要是：超細硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石等超硬度材料。圖1列出了幾種刀具材料的硬度與溫度的關(guān)系。超細硬質(zhì)合金可以提高普通硬質(zhì)合金的韌性，具有很好的耐磨性和耐高溫性，可制作大前角的深孔鉆頭和刀片，用于銑削和鉆削的干式加工。陶瓷刀具(Al203，Si3N4、金屬陶瓷(Cennet)等材料的硬度在高溫下也很少降低，即具有很好的紅硬性，因此很適合于一般目的的干切削而無須冷卻液[1131。但是這類材料一般較脆，即熱韌性不好，故不適用于進行斷續(xù)切削。也就是說，陶瓷刀具較適合用于進行干車削而不適用于干銑削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，達HV3200~HV4000，僅次于金剛石，熱傳導率好，達1300W/MK，具有良好的高溫化學穩(wěn)定性，在1200℃下熱穩(wěn)定性很好。采用CBN刀具加工鑄鐵，可大大提高切削速度，用于加工淬火鋼，可以以車削代替磨削。聚晶金剛石(PCD)刀具硬度非常高，可達HV7000~HV8000，熱導率可達2100 W/MK，線膨脹系數(shù)小。PCD刀具切削時產(chǎn)生的熱能可以很快從刀尖傳遞到刀體，從而減少刀具熱變形引起的加工誤差。PCD刀具比較適用于干式加工銅、鋁及鋁合金工件。

　　采用涂層技術(shù)

　　對刀具進行涂層處理，是提高刀具性能的重要途徑。近十年來，刀具涂層技術(shù)發(fā)展非常迅速，涂層材料多達15種，有的刀具在刀體上的涂層多達13層。涂層工藝也越來越成熟，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已解決了涂層與基體材料結(jié)合強度低的技術(shù)難題。涂層刀具分兩大類：一類是“硬”涂層刀具，如TiN，TIC和Al203等涂層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂層刀具抗后刀面磨損的能力特別強，而TiN涂層刀具則有較高的抗“月牙洼”磨損能力。另一類是“軟”涂層刀具，如：MOS2，W S等涂層刀具。這類涂層刀具也稱為“自潤滑刀具”，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01左右，能有效減少切削力和降低切削溫度。例如瑞士開發(fā)的“MOVIC”涂層絲錐，刀具表面涂覆有一層MOS2。切削實驗表明：未涂層絲錐只能加工20個螺孔；用TiAlN涂層絲錐時可加工1000個螺孔，而MoS2涂層的絲錐可加工4000個螺孔。高速鋼和硬質(zhì)合金經(jīng)過PVD涂層處理后，可以用于干切削。原來只適用于進行鑄鐵干切削的CBN刀具，在經(jīng)過涂層處理后也可用來加工鋼、鋁合金和其他超硬合金。

　　實際上 ，涂層有類似于冷卻液的功能，它產(chǎn)生一層保護層，把刀具與切削熱隔離開來，使熱量很少傳到刀具，從而能在較長的時間內(nèi)保持刀尖的堅硬和鋒利。表面光滑的涂層還可以減少摩擦來降低切削熱，保持刀具材料不受化學反應的作用，因為在大多數(shù)高速干切削中，高溫對化學反應有很大的催化作用。TiAlN涂層和Mo2軟涂層還可交替涂覆，形成一個多涂層刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系數(shù)小、切屑易流出的優(yōu)點，有優(yōu)良的替代冷卻液的功能。在干切削技術(shù)中，刀具涂層發(fā)揮著非常重要的作用。

　　刀具幾何形狀設(shè)計

　　干切削刀具通常以月牙洼磨損為主要失效原因，這是因為加工中沒有切削液，刀具和切屑接觸區(qū)域的溫度升高所致。因此，通常應使刀具有大的前角和刃傾角，但前角增大后，刀刃強度會受影響，此時應配以適宜的負倒棱或前刀面加強單元，這樣使刀尖和刃口會有足夠體積的材料和較合理的方式承受切削熱和切削力，同時減輕了沖擊和月牙洼擴展對刀具的不利影響，使刀尖和刃口可在較長的切削時間里保持足夠的結(jié)構(gòu)強度。

　　近幾年來，國外開發(fā)了許多大前角車削刀片(如美國Carboloy公司推出的一種ME-13新型硬質(zhì)合金刀片上的前角達34°)和帶正前角的螺旋形刀刃銑削刀片(這種刀片沿切削刃幾乎有恒定不變的前角，背前角或側(cè)前角可由負變正或由小變大)，旨在減少機床的驅(qū)動功率，并通過減小切削力，降低切削溫度來滿足干切削時對刀具的要求。

　　日本三菱金屬公司開發(fā)出一種適用于干切削的“回轉(zhuǎn)型車刀”，該刀具采用圓形超硬刀片，刀片的支持部分裝有軸承，在加工中刀片能自動回轉(zhuǎn)，使切削刃始終保持鋒利，具有工效高、加工質(zhì)量好、刀具壽命長等特點。

　　還有一種熱管式刀具也可以獲得較理想的干切削效果。它們的結(jié)構(gòu)與普通車刀基本相同，所不同的是在刀桿體內(nèi)部制成了熱管。熱管內(nèi)的工作介質(zhì)一般為丙酮、乙醇和蒸餾水三種。熱管是一種高效的傳熱元件，它利用的是沸騰吸熱和冷凝放熱這兩個最強的傳熱機理，熱管的熱導率是相當?shù)你y、銅棒的幾百倍。熱管刀具是一種自冷卻刀具，故無需再從外部澆注切削液，尤其適合于在數(shù)控機床、加工中心和自動生產(chǎn)線上應用。