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(jī)加工中不可缺少的生產(chǎn)要素之一，對(duì)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(shí)的增強(qiáng)以及環(huán)保法規(guī)的要求越來越嚴(yán)格，切削液對(duì)環(huán)境的負(fù)面作用也越來越明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，二十年前，切削液的費(fèi)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(fèi)用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具費(fèi)用僅占2%-5%。在與切削液有關(guān)的總費(fèi)用中，有22%左右是切削液的處理費(fèi)用。據(jù)估計(jì)，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(duì)環(huán)境無污染的綠色制造被認(rèn)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(xiàng)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(fèi)用，可進(jìn)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(jī)械制造領(lǐng)域變?yōu)榭赡堋８汕邢?DryCutting)技術(shù)就是在這樣的歷史背景下應(yīng)運(yùn)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(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)前沿研究課題。

　　特點(diǎn)

　　（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(yīng)的費(fèi)用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)成本
　?。?）省去了切削液與切屑的分離裝置及相應(yīng)的電氣設(shè)備。機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，減少占地面積
　?。?）不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染
　　（5）不會(huì)產(chǎn)生與切削液有關(guān)的安全事故及質(zhì)量事故。

　　實(shí)施條件

　　干式切削的刀具技術(shù)

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

　　干式切削的機(jī)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(yīng)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(yīng)用于干式切削加工的刀具材料主要是：超細(xì)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(xì)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(jìn)行斷續(xù)切削。也就是說，陶瓷刀具較適合用于進(jìn)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(dá)HV3200~HV4000，僅次于金剛石，熱傳導(dǎo)率好，達(dá)1300W/MK，具有良好的高溫化學(xué)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(dá)HV7000~HV8000，熱導(dǎo)率可達(dá)2100 W/MK，線膨脹系數(shù)小。PCD刀具切削時(shí)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(duì)刀具進(jìn)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(dá)15種，有的刀具在刀體上的涂層多達(dá)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(qiáng)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(qiáng)，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(shí)驗(yàn)表明：未涂層絲錐只能加工20個(gè)螺孔；用TiAlN涂層絲錐時(shí)可加工1000個(gè)螺孔，而MoS2涂層的絲錐可加工4000個(gè)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(jìn)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(shí)際上 ，涂層有類似于冷卻液的功能，它產(chǎn)生一層保護(hù)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(shí)間內(nèi)保持刀尖的堅(jiān)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(xué)反應(yīng)的作用，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)高速干切削中，高溫對(duì)化學(xué)反應(yīng)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(gè)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(diǎn)，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(jì)

　　干切削刀具通常以月牙洼磨損為主要失效原因，這是因?yàn)榧庸ぶ袥]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(yīng)使刀具有大的前角和刃傾角，但前角增大后，刀刃強(qiáng)度會(huì)受影響，此時(shí)應(yīng)配以適宜的負(fù)倒棱或前刀面加強(qiáng)單元，這樣使刀尖和刃口會(huì)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(shí)減輕了沖擊和月牙洼擴(kuò)展對(duì)刀具的不利影響，使刀尖和刃口可在較長的切削時(shí)間里保持足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(dá)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(fù)變正或由小變大)，旨在減少機(jī)床的驅(qū)動(dòng)功率，并通過減小切削力，降低切削溫度來滿足干切削時(shí)對(duì)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(dòng)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(diǎn)。

　　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(gè)最強(qiáng)的傳熱機(jī)理，熱管的熱導(dǎo)率是相當(dāng)?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(jī)床、加工中心和自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用。