1 前言
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(lái)越嚴(yán)格，切削液對(duì)環(huán)境的負(fù)面作用也越來(lái)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(wú)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(guò)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(wú)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。
因此，未來(lái)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?。干切?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(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的，其發(fā)展歷史至今不過(guò)十年，是先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)前沿研究課題。
2 干切削技術(shù)
干式切削是一種在加工過(guò)程中不使用切削液的加工方法。切削不是簡(jiǎn)單地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同時(shí)，保證高效率、高產(chǎn)品質(zhì)量、高的刀具耐用度以及切削過(guò)程的可靠性，這就需要用性能優(yōu)良的干切削刀具、機(jī)床以及輔助設(shè)施替代傳統(tǒng)切削中切削液的作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)真正意義上的干切削。
首先，要了解切削液在傳統(tǒng)切削過(guò)程中的作用，一般切削液有三個(gè)主要作用:1)冷卻作用，帶走切削產(chǎn)生的熱量，減少刀具磨損，防止工件表面氧化;2)潤(rùn)滑作用，減小摩擦，降低切削力，保證切削順暢;3)排屑作用，迅速帶走工件表面的切屑，并防止切屑劃傷工件表面。但從環(huán)境保護(hù)方面考慮，切削液的負(fù)面效應(yīng)也愈加明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)加工過(guò)程中產(chǎn)生的高溫使切削液形成霧狀揮發(fā)，污染環(huán)境并威脅操作者的健康;2)某些切削液及粘帶該切削液的切屑必須作為有毒有害材料處理，處理費(fèi)用非常高;3)切削液的滲漏、溢出對(duì)安全生產(chǎn)有很大影響;4)切削液的添加劑(如硫、氯等)會(huì)給操作者的健康造成危害并影響加工質(zhì)量。另外，對(duì)切削過(guò)程的大量研究也表明了切削液傳統(tǒng)的冷卻、潤(rùn)滑和排屑等作用在很多加工過(guò)程中尤其是高速切削中得不到充分而有效的發(fā)揮。
因此，人們?cè)噲D不用或少用切削液來(lái)改變這種狀況，以適應(yīng)清潔生產(chǎn)工藝和減小生產(chǎn)成本的要求。切削加工技術(shù)就是在這種情況下產(chǎn)生的一種先進(jìn)的加工方法。采用干切削技術(shù)不僅可以減少切削液的環(huán)境污染，改善操作者的工作條件，而且省去了切削液的相關(guān)費(fèi)用，降低了切屑回收處理的成本。切削技術(shù)對(duì)機(jī)床和刀具技術(shù)提出了更高的要求。近年來(lái)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視干式切削研究。干式切削加工這種新型加工方法是未來(lái)金屬切削加工的發(fā)展趨勢(shì)之一。
3 干切削技術(shù)研究的現(xiàn)狀
干切削技術(shù)是為適應(yīng)全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)綠色切削加工技術(shù)。
1995年干切削的科學(xué)意義被正式確立，1997年的國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)年會(huì)上，德國(guó)Aachen工業(yè)大學(xué)的F.Klocke教授作了“干切削”的主題報(bào)告;1999年1月在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金“設(shè)計(jì)與制造學(xué)科”受資助者會(huì)議上，國(guó)際著名的刀具制造廠MAPAL公司的總裁B.P.Erdel博士也作了有關(guān)美國(guó)干切削發(fā)展的主題報(bào)告，干切削技術(shù)已經(jīng)在各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界引起廣泛的關(guān)注。
目前包括歐洲、美國(guó)和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，非常重視干切削的研究，干切削技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到了生產(chǎn)領(lǐng)域，這與這些國(guó)家的工業(yè)基礎(chǔ)雄厚和環(huán)保法規(guī)特別嚴(yán)格有一定的關(guān)系。其中德國(guó)企業(yè)尤為普遍，在大批量生產(chǎn)中，已有10%-15%的加工采用干切削技術(shù)，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，世界許多知名的機(jī)床廠商在他們的產(chǎn)品目錄中都有干切削機(jī)床加工中心。日本在干切削方面也進(jìn)行了大量研究，最近他們已開(kāi)發(fā)成功幾種不使用切削液的干式加工中心。在其中的一種機(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)狻?/p>
在常溫下以5-6個(gè)大氣壓的壓力將液氮送往切削區(qū)，可順利實(shí)現(xiàn)干切削。
我國(guó)干切削技術(shù)的研究也已起步。成都工具研究所、山東工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)等單位對(duì)超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、金剛石等)及刀具涂層技術(shù)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，并取得了不少的研究成果。我國(guó)陶瓷刀具目前已形成了一定的生產(chǎn)能力，這些都為干切削技術(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，有待于我們今后加快研究與推廣應(yīng)用。
4 切削的刀具技術(shù)
切削技術(shù)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，需要從刀具技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)和工藝過(guò)程等各方面采取一系列的措施。本文將重點(diǎn)介紹干切削的刀具技術(shù)。
設(shè)計(jì)干式切削刀具時(shí)，不僅要選擇適用的刀具材料和采用的涂層，而且應(yīng)當(dāng)綜合考慮刀具材料、刀具涂層和刀具幾何形狀之間的相互兼顧和優(yōu)化。不同的切削加工方式對(duì)刀具設(shè)計(jì)提出了不同要求，干式切削刀具必須滿足以下條件:1)刀具材料應(yīng)具有良好的耐熱性和耐磨性;2)切屑與刀具之間的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能小;3)刀具的槽型應(yīng)保證排屑流暢、易于散熱;4)刀具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和抗沖擊韌性。下面分別從刀具材料、涂層和幾何形狀三個(gè)方面討論。
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(wú)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(shuō)，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(lái)，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(lái)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(rùn)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(kāi)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(guò)PVD涂層處理后，可以用于干切削。原來(lái)只適用于進(jìn)行鑄鐵干切削的CBN刀具，在經(jīng)過(guò)涂層處理后也可用來(lái)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(kāi)來(lái)，使熱量很少傳到刀具，從而能在較長(zhǎng)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(lái)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。
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](méi)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(zhǎng)的切削時(shí)間里保持足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
近幾年來(lái)，國(guó)外開(kāi)發(fā)了許多大前角車削刀片(如美國(guó)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(guò)減小切削力，降低切削溫度來(lái)滿足干切削時(shí)對(duì)刀具的要求。
日本三菱金屬公司開(kāi)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(zhǎng)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。圖2所示為熱管式車刀。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。熱管刀具是一種自動(dòng)冷卻刀具，故無(wú)需再?gòu)耐獠繚沧⑶邢饕?，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。
5 總結(jié)和展望
干式加工與濕式加工相比，不但提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，而且有利于環(huán)保，是一種理想的、清潔的金屬切削加工方法。干切削技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在不到十年的歷史，它是一種新興的綠色制造技術(shù)。二十一世紀(jì)的制造業(yè)對(duì)綠色環(huán)保的要求越來(lái)越高，干切削技術(shù)作為一種綠色制造工藝對(duì)于節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境和降低成本具有重要意義。隨著機(jī)床技術(shù)和各種超硬耐高溫刀具材料及其涂層技術(shù)的迅猛發(fā)展以及相關(guān)工藝研究的深入，干切削技術(shù)必將在金屬切削領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
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