干切削的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

1、摘要隨著當(dāng)前社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的盲目追求高效率的粗放型生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，而提倡最大限度的利用和減少?gòu)U棄物的集約型綠色生產(chǎn)方式引起了人們的關(guān)注。干切削加工作為綠色制造實(shí)施的具體體現(xiàn)，目前已成為了切削加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。干切削加工過(guò)程中，避免了切削液的使用。在生產(chǎn)安全上看，減少了對(duì)工人身體的傷害，并且在食品、醫(yī)藥器械加工方面具有極大優(yōu)勢(shì)；從效益上看，大大降低了處理切削液所帶來(lái)的成本。干切削加工與普通加工的區(qū)別并不是僅僅減少或杜絕了切削液的使用。在普通切削過(guò)程中，切削液起到了潤(rùn)滑、冷卻、排屑的作用；而在干切削過(guò)程中，由于缺少了切削液的輔助作用，切削力、切削熱會(huì)大量

2、增加，切削區(qū)溫度急劇上升，刀具磨損和機(jī)床變形加??；同時(shí)，工件加工質(zhì)量變差。要使干切削在規(guī)定的時(shí)間達(dá)到與濕加工相當(dāng)、甚至超過(guò)濕加工的質(zhì)量和刀具耐用度，就必須對(duì)刀具技術(shù)、機(jī)床技術(shù)和加工工藝有更高的要求。關(guān)鍵詞：干切削加工 刀具技術(shù) 機(jī)床技術(shù) 加工工藝目錄一、研究現(xiàn)狀3二、刀具技術(shù)32.1 刀具材料32.2 刀具涂層42.2.1涂層介紹42.2.2涂層對(duì)刀具的影響52.2.3涂層對(duì)加工表面質(zhì)量的影響62.3刀具結(jié)構(gòu)62.3.1刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則62.3.2刀具機(jī)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用6三、機(jī)床技術(shù)73.1干切削對(duì)機(jī)床的要求73.2干切削機(jī)床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)73.2.1干切削機(jī)床支撐件的設(shè)計(jì)83.2.3主軸的設(shè)計(jì)83.2

3、.4排屑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)8四、工藝技術(shù)8五、總結(jié)9參考文獻(xiàn)10一、研究現(xiàn)狀在目前的加工制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的濕切削仍然是主流加工方式。不僅切削液給周圍環(huán)境帶來(lái)不利影響，而且對(duì)切削液的處理所帶來(lái)的成本大大高于刀具成本，而這正是人們?cè)诔杀居?jì)算中容易忽略的。據(jù)美國(guó)企業(yè)統(tǒng)計(jì)，目前，采購(gòu)、管理、處理切削液的費(fèi)用已達(dá)成本的14%16%，而刀具費(fèi)用只占成本的4%。如果20%的切削加工采用干切削，總成本可以降低1.6%，足以可見(jiàn)干切削加工的誘人前景。干切削技術(shù)起源于歐洲，目前在西歐各國(guó)也最為盛行。在干切削研究和應(yīng)用方面，目前德國(guó)處于國(guó)際領(lǐng)先的地位。在德國(guó)的制造業(yè)中，已有8%左右的企業(yè)采用了干切削技術(shù)。日本在干切削方面也

4、進(jìn)行了大量研究，他們已成功開(kāi)發(fā)幾種不使用切削液的干式加工中心。其中一種機(jī)床上裝有液氮冷卻的干切削系統(tǒng)，從空氣中提取高純度氮?dú)猓诔叵乱?6個(gè)大氣壓的壓力將液氮送往切削區(qū)，可順利實(shí)現(xiàn)干加工。我國(guó)干切削技術(shù)的研究起步稍晚。目前我國(guó)陶瓷刀具已形成了一定的生產(chǎn)能力，這為干切削技術(shù)的研究與應(yīng)用提供了初步的技術(shù)基礎(chǔ)；北京機(jī)床研究所最近開(kāi)發(fā)成功的KT系列加工中心能實(shí)現(xiàn)高速干切削。但是，總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)在干切削理論研究方面和國(guó)外還存在較大的差距，在工業(yè)中的應(yīng)用規(guī)模更小，有待于進(jìn)一步加快研究與推廣應(yīng)用。二、刀具技術(shù)由于缺少了切削液的潤(rùn)滑、冷卻以及排屑與斷屑作用，加工時(shí)切削熱急劇增加，刀具使用壽命大大降低。與濕切

5、削相比，干切削刀具的工作條件惡劣，對(duì)刀具的要求也就更嚴(yán)格。（1）刀具具有優(yōu)異的耐高溫性能可以避免在高速切削產(chǎn)生的高溫中的硬度降低和刀具表面氧化等問(wèn)題；（2）刀具表面低的摩擦系數(shù)可以有效降低切削過(guò)程由于摩擦產(chǎn)生的溫度；（3）合理的刀具結(jié)構(gòu)和幾何角度利于切削屑的排出，可以很好的散熱效果；（4）干切削比濕切削的切削力大，因此干切削刀具還應(yīng)具有更高的強(qiáng)度和耐沖擊韌度。在刀具材料、刀具涂層以及刀具結(jié)構(gòu)三個(gè)方面，在遵循上述要求的情況下進(jìn)行合理選擇與設(shè)計(jì)，可以得到滿足干切削的刀具。2.1 刀具材料考慮到干切削加工的特點(diǎn)，刀具材料應(yīng)具有耐高溫、耐磨損、高韌性、低摩擦系數(shù)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具和高速鋼很難能

6、滿足這些性能。然而新刀具材料的出現(xiàn)使在一定程度上滿足干切削對(duì)刀具的要求成為可能。圖1 材料硬度與溫度的關(guān)系從圖1中可以看出，陶瓷刀具（）、金屬陶瓷Cermet等材料的硬度具有很好的紅硬性，在高溫時(shí)，硬度可以保持在HV1000以上，適合于一般目的的干加工而無(wú)須冷卻液。但是由于脆硬性，陶瓷刀具適合于干車削而不適合于干銑削。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、立方氮化硼、聚晶金剛石具有較高的紅硬性和耐磨性,同樣可以作為干切削刀具材料，不過(guò)由于材料不同的特性而各有用途。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有很好的韌性，適合于需要大前角的場(chǎng)合，常被用來(lái)制作干式鉆削的鉆頭；立方氮化硼 CBN 刀具硬度高達(dá)HV32004000，具有高溫?zé)岱€(wěn)定

7、性，最常用于鑄鐵和淬硬鋼的干式切削；聚晶金剛石 PCD刀具的硬度在CBN材料的2倍左右，主要用于銅、鋁及其合金以及纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料的干切削加工。上述刀具材料都有脆性差的缺點(diǎn)，但是干切削相對(duì)于傳統(tǒng)切削, 消除了因?yàn)榍邢饕菏褂貌贿B續(xù)、冷卻不均造成熱沖擊等問(wèn)題, 因此, 對(duì)使用這些脆性較大的超硬刀具材料是更為有利的。2.2 刀具涂層2.2.1涂層介紹除了選擇合適的刀具材料，刀具表面涂層對(duì)于干切削也是十分重要的。涂層刀具整體性能的優(yōu)劣與基體材料及涂層本身的性能密切相關(guān)。常用的涂層基體主要是硬質(zhì)合金、高速鋼等，涂層材料主要是TiC、TiCN、TiAlN、Mo、金剛石等。下面以TiAlN為例介紹涂層

8、的性能參數(shù)對(duì)刀具的影響。干切削加工刀具大都采用TiAlN作為涂層材料。TiAlN涂層硬度23003500HV，熱膨脹系數(shù)為6.57.5，耐熱性700，摩擦系數(shù)為0.50。由這些參數(shù)可知，TiAlN抗氧化能力高，隔熱作用好。同時(shí)，TiAlN在高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化膜，改善刀具與工件、切屑的摩擦，減少熱量的產(chǎn)生。2.2.2涂層對(duì)刀具的影響涂層在刀具上的應(yīng)用主要有以下作用：（1） 分隔刀具和切削材料；（2） 降低刀具接觸區(qū)以及刀槽內(nèi)的摩擦；（3） 為刀具隔熱，保護(hù)刀具不受切屑影響。硬質(zhì)合金具有高強(qiáng)度、高硬度等諸多優(yōu)點(diǎn)，常作為涂層刀具的基體。通過(guò)氣相沉淀，可以在基體上覆蓋耐磨性高的難熔金屬化合物，在保持原有

9、韌性的基礎(chǔ)上有效提高刀具耐磨性。涂層對(duì)刀具性能的改善具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）高的硬度及耐磨性。涂層的硬度一般比硬質(zhì)合金基體的硬度高，所以涂層刀片具有較高的抗機(jī)械摩擦和抗磨損能力。如圖2所示，涂層可以有效減小刀具的磨損，增加刀具壽命。圖2（2）高的耐熱性。涂層本身具有高的耐熱性，在高溫下仍能保持高硬度；涂層的導(dǎo)熱性能差，可以減少傳遞到刀具的熱量。（3）高的抗粘結(jié)性能。涂層刀片與工件材料的親和性小，不易產(chǎn)生粘結(jié)，減少了刀具與工件間產(chǎn)生的粘附作用以及刀具的粘結(jié)磨損，避免了積削瘤的形成。（4）高的化學(xué)穩(wěn)定性。不同涂層物質(zhì)與硬質(zhì)合金和工件在高溫下的反應(yīng)特性不同。例如涂層與工件材料基本不發(fā)生反應(yīng)，使

10、刀具具有較高抗溶解于鐵的能力。（5）摩擦系數(shù)低。有些涂層本身具有較低的摩擦系數(shù)，如金剛石與鋁；還有一些涂層在切削時(shí)形成的薄膜具有潤(rùn)滑作用，例如TiC可以形成TiN，后者與鐵基材料的摩擦系數(shù)更低。2.2.3涂層對(duì)加工表面質(zhì)量的影響在干切削過(guò)程中，涂層與工件接觸，涂層對(duì)工件的加工質(zhì)量有著直接的影響。涂層本身的晶粒大小影響著工件的表面質(zhì)量。傳統(tǒng)的金剛石涂層都是由大顆粒金剛石組成，工件的表面質(zhì)量并不高，但是采用CVD技術(shù)，并選用適當(dāng)?shù)膮?shù)，可以得到表面粗糙度小于1的新型金剛石涂層，在含Co6%的鎢基硬質(zhì)合金基體上使用這種涂層，可以使鋁合金表面粗糙度低于1。2.3刀具結(jié)構(gòu)2.3.1刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與普通

11、加工一樣，加工方法的多樣性對(duì)干切削的刀具結(jié)構(gòu)也有很多要求。根據(jù)這些要求，干切削加工刀具應(yīng)該盡量遵循一下準(zhǔn)則：（1）刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮使加工過(guò)程中受到的切削力和摩擦力小，以保證產(chǎn)生很少的熱；（2）考慮排屑問(wèn)題以保證熱量更好的散失。例如ALPHA 22型深孔鉆頭，在遵循這個(gè)原則的基礎(chǔ)上，采用特殊的40螺旋角結(jié)構(gòu)，可以在不進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻的情況下，鉆削深度達(dá)7倍直徑的孔。 （3）刀具應(yīng)具有較大的前角，并配有適宜的切削刃形狀。這一措施可以減小切屑與前刀面的接觸面積，減輕月牙洼磨損。如采用圖3所示的具有大前角和大刃傾角的干銑刀片, 實(shí)驗(yàn)證明可大大減小刀具與切屑之間的接觸面積, 使切屑帶走大量熱量。圖3

12、2.3.2刀具機(jī)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用1.采用熱管式刀具。回旋型刀具和特殊幾何形狀的新型刀片等，可以獲得更理想的干切削效果。圖4是一種熱管刀具，在加工時(shí)，前刀面溫度僅為普通刀具的2/3，溫度可以降低5060，刀具耐用度可以提高2倍。圖42.開(kāi)發(fā)易于排屑的刀具結(jié)構(gòu)。例如可以利用真空原理，在切削區(qū)形成負(fù)壓，通過(guò)管道將切屑吸走。3.日本三菱金屬公司開(kāi)發(fā)的適用于干切削的“回轉(zhuǎn)型車刀”采用圓形超硬片，刀片的支撐部分裝有軸承，在加工過(guò)程中刀片可以自動(dòng)回轉(zhuǎn)，使切削刃始終保持鋒利，具有加工效率高，加工質(zhì)量好，刀具壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。三、機(jī)床技術(shù)3.1干切削對(duì)機(jī)床的要求干切削過(guò)程比濕切削產(chǎn)生了更多的熱量，這些熱量主要集中在切屑

13、中，大量的切削堆積在機(jī)床上，使得機(jī)床溫度升高，熱變形加劇。由于沒(méi)有切削液的潤(rùn)滑作用，切削阻力會(huì)大大加大，機(jī)床振動(dòng)增加。上述現(xiàn)象對(duì)加工帶來(lái)不利影響，因此，干切削機(jī)床必須具有良好的散熱、排屑、吸塵以及剛性良好的基礎(chǔ)部件。（1）干切削機(jī)床應(yīng)有較高的剛性。干切削過(guò)程一般具有高的切削速度，機(jī)床必須具有良好的剛性才能減輕振動(dòng)。（2）機(jī)床盡可能是高速機(jī)床。在這種情況下，機(jī)床可降低30%左右的切削力，95%以上的切削熱可由切屑帶走，工件可基本保持室溫。（3）機(jī)床應(yīng)有吸塵、排屑裝置。機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于排屑，還應(yīng)注意主軸、導(dǎo)軌等精密運(yùn)動(dòng)部件的密封。3.2干切削機(jī)床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)干切削機(jī)床可以看作是在濕切削機(jī)床的基礎(chǔ)上改進(jìn)

14、而來(lái)的，一般是在現(xiàn)有機(jī)床上添加排除切削的抽吸裝置、微量潤(rùn)滑裝置或冷風(fēng)裝置，有些機(jī)床具有針對(duì)于切屑堆積和排出問(wèn)題而設(shè)計(jì)的床身結(jié)構(gòu)，切屑容易落入切屑輸送器中。3.2.1干切削機(jī)床支撐件的設(shè)計(jì) 支撐件是機(jī)床的基礎(chǔ)大件，其結(jié)構(gòu)應(yīng)具有高強(qiáng)度和剛度、較好的抗振性和熱穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意一下問(wèn)題：（1）保證排屑順暢。在結(jié)構(gòu)允許下，降低立柱高度，在機(jī)床下方設(shè)計(jì)排泄槽，可保證切屑順利落入切屑傳送裝置；（2）改善隔熱條件，減少排屑過(guò)程中切屑傳給機(jī)床部件的熱量；（3）采用均熱結(jié)構(gòu)?？梢员苊獯采硎軣峒?。（4）采用專門設(shè)計(jì)的抗彎曲扭矩管狀鑄造床身，在床身中裝填疏松聚合物或者用人造花崗巖制造底座，這樣可以增加床身的抗振

15、性和吸熱能力。3.2.3主軸的設(shè)計(jì)機(jī)床工作時(shí)，主軸夾持工件直接參與切削運(yùn)動(dòng)，主軸的精度和性能直接影響工件質(zhì)量。目前機(jī)床設(shè)計(jì)中常用結(jié)構(gòu)如下：（1）采用高精度主軸軸承?；旌咸沾奢S承、靜壓或者動(dòng)壓軸承；（2）角接觸軸承采用配對(duì)的背靠背組合方式，提高主軸精度；（3）采用油霧潤(rùn)滑裝置以及主軸恒溫的水冷裝置，保證主軸的熱穩(wěn)定性；（4）采用三支撐主軸提高剛性。3.2.4排屑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為了降低工藝系統(tǒng)的切削溫度，必須將切屑快速排出。干切削機(jī)床常用的排屑裝置有真空排屑、噴氣排屑和虹吸排屑。真空排屑利用空氣的減壓將切屑從切削區(qū)帶走，噴氣排屑利用壓縮空氣將切屑吹出切削區(qū)，虹吸排屑則利用干燥的空氣吸出切屑。由于真空排

16、屑可以及時(shí)將懸浮顆粒吸走，因此，它目前是干切削機(jī)床最理想的吸塵裝置。機(jī)床設(shè)計(jì)還應(yīng)避免能夠積累切屑的洼坑和高臺(tái)，用排屑傳動(dòng)器及時(shí)將切屑送出機(jī)床外。例如采用傾斜導(dǎo)軌，在重力作用下可以將切屑排出。在排屑處理中，還應(yīng)注意精密部件的密封，防止與切屑摩擦帶來(lái)的磨損。四、工藝技術(shù)工件材料在很大程度上決定了實(shí)施干切削的可能性。減少切削過(guò)程中變形和摩擦產(chǎn)生的熱量，是發(fā)展干切削的一項(xiàng)技術(shù)措施。例如，開(kāi)發(fā)易切鋼和易切鑄鐵等。不同工件材料的熱學(xué)特性差別較大，干切削要求工件有較大的熱容量和較低的熱導(dǎo)率，因此，大質(zhì)量的零件比小質(zhì)量的零件更適宜于干切削。切削力大、溫度高是干切削的主要特點(diǎn)，為了減少高溫下刀具和工件之間材料的

17、粘結(jié)和擴(kuò)散，獲得正常的刀具壽命，應(yīng)特別注意刀具材料和工件之間的合理匹配。刀具確定以后，根據(jù)具體加工，還應(yīng)選擇合適的切削用量和其他參數(shù)。在干切削加工中，建議采用高的切削速度，因?yàn)楦叩那邢魉俣葧?huì)使切屑排除快散熱快，對(duì)提高刀具壽命非常有利?，F(xiàn)已經(jīng)采用的干切削加工工藝有：低溫冷干切削技術(shù)，高速干切削技術(shù)，低溫干切削技術(shù)，靜電冷卻干切削技術(shù)，微量潤(rùn)滑的準(zhǔn)干切削等。五、總結(jié)干切削加工技術(shù)作為綠色加工的代表之一，其最大的優(yōu)勢(shì)就是避免了切削液的使用，從而避免了切削液帶來(lái)的在環(huán)境以及成本上的弊端，在未來(lái)將成為切削加工的主流。目前，干切削對(duì)于干切削的研究主要集中在刀具技術(shù)、車床技術(shù)和工藝技術(shù)這三個(gè)方面。根據(jù)目前掌握的技術(shù)，干切削技術(shù)活完全可以實(shí)現(xiàn)，但是距離大范圍推廣還有很長(zhǎng)一段路要走。成本限制了干切削加工的應(yīng)用。干切削對(duì)刀具材料和涂層具有很高要求，雖然新材料可以滿足要求，但是提高了成本。對(duì)于大批量生產(chǎn)尚可，若使用干切削刀具來(lái)小批量生產(chǎn)，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用切削液帶來(lái)的成本。材料性能也是干切削技術(shù)發(fā)展的制約因素。通常刀具的強(qiáng)度與韌性相互矛盾的存在，很難實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度與高韌性并存。目前人們采取的措施只能是改進(jìn)加工方法或者增加刀具涂層等。隨