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干式切削加工技术及其应用
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1 引言
环境和资源问题是当今和未来人类社会实现可持续发展需要解决的主要问题。消除和减少环境污染危害已成为全人类的共识和行为准则。制造业是产生环境污染的主要来源之一。二十世纪九十年代以后，工业发达国家的机械制造业在政府环保立法和降低生产成本的双重压力下，提出了“绿色制造”的新概念。
在传统切削加工中，湿式切削占有主要地位。虽然使用切削液有利于降低切削温度、延长刀具寿命、提高断屑和排屑性能等，但由于切削液污染环境，危害操作者身体健康，因此其使用受到环保法规越来越严格的限制。此外，冷却装置及供液系统的安装、切削液的使用、储存、保洁、处理等过程十分繁琐，且成本很高。由于切削液的处理费用一般包含在间接费用中，因此常常被低估。据美国企业对加工成本的统计(见图1)，在集中冷却加工系统中，切削液成本占加工总成本的14%～16%，而刀具成本只占2%～4%。近年来，世界各国(特别是工业发达国家)为了贯彻环境保护政策、降低加工成本，大力研究、开发和推广应用干式切削加工技术。据测算，如果20%的切削加工采用干式切削，总的制造成本可降低1.6%。新型刀具材料、涂层技术及设计工艺的发展使干式切削加工的实现成为可能，干式切削加工已成为未来金属切削加工的重要发展方向之一。
图1 加工成本构成 |
2 干式切削刀具的设计原则
设计干式切削刀具时，不仅应考虑适用刀具材料的选择或单纯采用涂层方法将传统刀具用于干式切削，而且应当综合考虑刀具材料、刀具几何形状和刀具涂层之间的相互兼顾和优化。不同的切削加工方式对刀具设计提出了不同要求，干式切削刀具必须满足以下条件：①刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性；②切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小；③刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热；④刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。
- 刀具几何形状
- 有效散热是实现干式切削需要解决的关键问题。为尽量减小刀具加工时产生的切削热，刀具几何形状的设计应使刀具具有较小的切削力和摩擦力。
- 深孔加工刀具切削中的主要问题是排屑困难，对于干式切削刀具这一问题更为突出，因此刀具几何形状的设计必须保证刀具良好的排屑性能：在切削力较小的情况下，可采用大前角和大圆度切削角的设计原则。
- 刀具材料
- 干式切削刀具材料必须具有良好的耐高温性能。对于大前角刀具则必须采用高硬度材料。目前适合干式切削加工的刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。
- 超细颗粒硬质合金
- P类硬质合金具有良好的耐高温性，但并不适合所有的加工场合。超细颗粒硬质合金具有极好的韧性和刃口强度，可用于制作大前角刀具，用超细颗粒硬质合金材料制成的钻头、深孔钻、刀片等可用于干式切削加工。
- 立方氮化硼(CBN)
- CBN材料的硬度高达3200～4000HV，热传导率为1300W/m·K，具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200℃的高温下具有良好的热稳定性。CBN的高耐热性和高红硬性使其非常适合用于干式切削。CBN刀具主要用于加工铸铁和淬火钢。采用CBN刀具进行干式切削可实现淬硬工件(淬火硬度60～70HRC)的以车代磨加工。用CBN刀具干式切削铸铁可大幅度提高切削速度，改善刀具寿命。
- 聚晶金刚石(PCD)
- PCD材料的硬度为7000～8000HV，约为CBN材料的两倍，其热导率可达2100W/m·K，热膨胀系数很小。PCD刀具切削时能迅速将切削热从刀尖传递至刀体内部，从而减小因刀具热变形引起的加工误差，避免刀具发生热损伤。PCD刀具主要用于加工铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等有色金属材料，也可用于加工耐磨性极好的高性能材料如纤维增强型塑料、金属复合材料、木材复合材料等。用PCD刀具干式切削铝合金可达到很高的切削速度和理想的刀具寿命，采用锋利的切削刃和大正前角进行干式切削时，可使切削压力和积屑瘤达到最小。
- 陶瓷和金属陶瓷
- 陶瓷刀具具有良好的耐热性、高温硬度和化学稳定性，非常适合干式切削加工铸铁和淬火钢。金属陶瓷实际上是含钛基化合物、粘结剂为镍或镍钼的一类硬质合金。金属陶瓷刀具在加工硬度>40HRC 的工件时红硬性较差，主要适于加工高精度工件和表面质量要求较高的工件。
- 陶瓷刀具的化学稳定性优于硬质合金刀具，可在较高切削速度下进行长时间切削加工。在陶瓷刀具中，Al2O3基陶瓷刀具的缺点是强度和韧性较低；与此相比，Si3N4基陶瓷刀具的高温机械冲击性能较好，但在加工钢材时化学稳定性欠佳。
- 刀具涂层
- 涂层技术的发展是干式切削加工得以推广应用的重要条件之一。在干式切削过程中，刀具涂层可起到以下作用：①在刀具与被切削材料之间形成隔离层；②减少摩擦力及摩擦热；③通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击。刀具通过涂层处理，可实现固体润滑，减少摩擦和粘结，使刀具吸收热量减少，可承受较高切削温度。干切削刀具较多采用涂层，涂层厚度在1～5µm 之间。在各类涂层中，TiAlN涂层具有较好的耐热性能和高温性能，与TiN、TiCN涂层相比，由于添加了A1 元素，使刀具抗氧化性能显著改善，非常适合高速加工和干切削加工。在高温下连续切削时，TiAlN涂层的性能优于TiC 涂层四倍，其高温硬度不仅高于TiN涂层，且稳定性更好。图2 所示为采用不同涂层的刀具干切削灰口铸铁(Ø8mm，f=0.25mm，ap=3D)时的刀具寿命比较。
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