先进制造技术之干切削加工

先进制造技术之干切削加工摘要：介绍了干切削加工的概念、产生的背景；阐述了干切削加工的一些关键技术以及应用等。

关键词：概念、背景、关键技术、应用干切削技术是对传统生产方式一个重大创新，是一种崭新清洁制造技术。

干切削加工技术是一种加工过程不用或微量使用切削液的加工技术，一种对环境污染源头进行控制的清洁环保制造工艺。

它作为一种新型绿色制造技术，不仅环境污染小，而且可以省去与切削液有关装置，简化生产系统，能大幅度降低产品生产成本，同时形成的切屑干净清洁，便于回收处理。

干切削已成为目前绿色制造工艺研究的一个热点，并已经得到了成功应用[1]。

一、干切削加工的概念及特点干切削就是在加工过程中不用任何切削液的工艺方法。

由于不用切削液，因而干切削可以完全消除切削液带来的一系列负面效应。

干切削具有以下特点：1)形成的切屑于净清洁无污染，易于回收和处理。

2)省去与切削液有关的传输、回收、过滤等装置及费用，简化了生产及处理系统，节约了生产成本。

3)不产生环境污染，也不产生与切削液有关的安全及质量事故[2]。

4)加工质量高，由于干切削没有冷却液对工件的急冷,工件没有微淬火现象,不会产生表面微裂纹，同时加工后的工件不会因存在残留切削液而形成腐蚀锈斑,因此提高了工件表面质量。

5)延长刀具寿命，通常认为，由于切削液的冷却与润滑作用，对提高刀具使用寿命有利。

但美国密歇根技术大学进行的比较性切削试验表明,在一定的切削速度(尤其在较高速度)下,湿式切削由于冷却液加注过程中的不连续性与冷却程度的不均匀性,使刀具产生不规则的冷、热交替变化,容易使刀头产生裂纹,进而引起刀具破损,反而降低了刀具的使用寿命。

而用于干切削的刀具经过特殊处理,降低了切削热的产生,耐热性也比普通刀具好,故有较理想的使用寿命。

6)高效率，由于干切削自身的特点,为了减小切削热的产生,并将切削热及时带走,延长刀具使用寿命,在机床及刀具满足条件的状况下,多采用提高切削速度的方法,从而提高了加工效率[3]。

二、干切削加工技术产生的背景在金属切削加工中，常常使用切削液。

切削液使我们可获得较长的刀具寿命、良好的工件表面粗糙度和尺寸精度。

但是，它们的使用也带来许多不应忽视的问题，环境污染及危害工人健康特别突出。

此外，使用切削液也会带来极大的经济问题。

根据美国一些企业的统计，消耗在切削液和废液处理方面的费用占总成本的14％～16％，而刀具的费用只占2％～4％。

为保护环境和降低生产成本，最好的办法就是不用或少用切削液，即采用所谓的干切削。

它是一种涉及刀具、机床、工件、加工方式与切削参数等多方面的清洁、高效的新工艺。

环境保护、“绿色产品”的呼声，促使我们重新审视切削液的应用。

新型刀具的开发、工艺的不断进步，使得干切削技术的应用具备了一定的基础[4]。

三、干切削加工的关键技术3.1 刀具材料高速干切削刀具材料必须具有良好的耐热性。

目前，超细颗粒的硬质合金、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)、陶瓷和金属陶瓷都有较高的热硬性和耐磨性，其中超细颗粒硬质合金具有较高的强度和冲击韧度，适用于制作干式钻削的钻头和铣削刀片等。

金属陶瓷具有较高的硬度和耐冲击性，但热硬性较差，主要适用于工件的精加工。

陶瓷可分为氧化铝基和氮化硅基两大类，具有更高的硬度和更好的化学稳定性，但强度和冲击韧度较低，适用于制作灰铸铁和钢的干式车削或铣削加工刀具。

立方氮化硼硬度高，热稳定性好，可以用来加工铸铁和淬硬钢，是干式硬车削加工中理想的刀具材料，可以实现以车代磨加工。

上述各类刀具材料总的特点是：具有良好的热硬性和高温稳定性，耐磨性好，且在高速干切削条件下，不会因切削液使用不连续或冷却不均而造成热淬裂。

3.2 刀具涂层采用高速干切削，若仅使用目前已有的热稳定性好的刀具材料和优化刀具几何形状，仍不能达到很好的效果。

因此，采用在刀面上涂覆隔热性好的硬涂层和具有固体润滑性能的软涂层，使刀具能承受更高的切削温度。

涂层的作用一是提供了低摩擦层，以减少刀具与工件表面之间的摩擦和粘接，相当于切削液的润滑作用；二是在刀具与切屑之间起到隔热作用，抵抗切削热向刀具传播，相当于切削液的冷却作用。

具有润滑性的软涂层，如MoS2/Mo、WS2/W、TaS2/Ta和WC/C等，由具有低摩擦因数的晶格双硫化合物和高温难熔金属构成。

常用的硬涂层有TiN、TiCN和TiAlN，其中TiA1N 硬涂层由于添加了Al元素，从而使刀具的抗氧化性能得到极大改善，涂层具有更好的耐热性和高温性能，对高温下承受重荷的切削刃起到了抗磨损作用。

在高速干切削中常常使用多层复合涂层刀具，如把硬涂层和软涂层结合在一起，即在1道涂覆工序中采用2种物理气相沉积工艺(PVD)，先产生硬涂层TiA1N，然后再在其上面采用溅射法产生WC/C软涂层，可以有效提高刀具的寿命。

目前新的涂层技术如高硬度、高热稳定性的金刚石薄膜涂层，CBN薄膜涂层，由多种涂层材料不同组合构成的纳米级涂层等，均得到了长足的发展，其所具有的优异的抗磨损及自润滑性能，使其更能适用于众多材料的高速干切削[5]。

3.3 刀具结构干切削刀具的失效形式主要是月牙洼磨损，所以一般都采用较大的前角以减少切屑与前刀面的接触面积。

为弥补大前角对刃口强度的削弱，常配以加强刃甚至前刀面上带有加强筋。

较大的正前角、锋利而强有力的切削刃有利于断屑。

总之，干切削刀具的结构设计必须考虑断屑和排屑的问题。

对韧性材料的加工来说，断屑非常关键，目前车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。

此外，为了加速刀具的冷却以降低切削温度，也可采用热管式刀具或液氮冷却刀具[6]。

3.4 排屑和隔热技术研究表明，切削液的润滑作用只有10％，因此，与湿切削机床相比，干切削机床的结构设计应保证快速排屑和散热，并尽量消除切屑对环境的不利影响。

1)采用快速排屑的布局干切削机床的主要任务就是在切屑的大部分热量传到机床之前就要将其迅速排除。

可采取如下排屑方法：a)借助重力排屑。

通常钻削都是从上往下进行，切屑从孔中向上排出。

如果改变机床布局，将工件安装在主轴下部，刀具从下向上钻削，则将产生完全不同的效果；在重力作用下，切屑就会顺利从孔中排出，也无需用一定压力的切削液来辅助排屑。

这一思想已在美国某刹车制造厂一条自动线的柔性加工机床上得以实现。

b)利用虹吸现象将切屑从孔中吸出。

虹吸是利用干燥的空气吸出切屑，也无需切削液。

c)利用真空或喷气系统也可改善排屑条件。

如日本住友公司的“洁净回收系统”，采用把刀具部分整个罩住的结构，利用从内部吹出的压缩空气，使切屑顺着刀具回转的方向经螺旋管道排出。

此外，为降低切屑尘埃、油雾和烟气对环境和操作者的有害影响，干切削机床通常需要对切削区进行密封。

2)采用热稳定性好的结构和适当的隔热措施机床床身采用热稳定性好的结构和材料，可将切削热的影响降到最低程度。

如采用均衡温度的结构，将床身的左右两侧与顶部和底部设计成四个相通的型腔并注入油液，即可保证整个床身具有相同的温度。

此外，机床立柱与底座等基础件采用对称结构，并选用热容小的材料，主轴采用恒温的水冷装置等，都能提高机床热稳定性。

采取适当的隔热措施，如排屑槽用绝热材料制造，切削区采用绝热罩来隔热切屑，可以减少排屑过程中切屑传递给机床的热量[7]。

3.5 辅助工艺技术目前，高速干切削还不是一项通用技术，它的应用还受到工艺条件、工件材料和加工类型的影响。

在高速干切削中，取消了切削液，但其冷却和润滑作用还可以采用如下所述的一些工艺措施来实现。

1）低温气体冷却低温气体冷却是采用如液氮或冷气等气体吹入切削区，使工件、刀具和机床的温升降低，同时配备抽吸系统进行防尘和排屑，保证加工区的清洁。

2）MQL——最小油量润滑技术MQL技术主要有气雾外部润滑和内部冷却2种，广泛应用于铸铁、钢、铝合金等的钻、铰、攻螺纹以及深孔钻削等加工过程中。

它是在0.5～0.6 MPa 的压缩空气中添加少量高性能的润滑油(5～50mL/h)，就像是把有限的少量润滑剂“涂到”切削位置上一样，使少量润滑油得到最充分的利用。

与此同时，高压气体起到冷却和辅助断屑作用，以降低刀具温度[8]，防止刀具冷焊。

3）采用辅助加热的干切削技术采用辅助加热的干切削技术是通过对加工表面局部加热，以改善材料的可加工性，降低切削力，有助于干切削的实现。

四、干切削加工的应用4.1 铸铁的干切削铸铁加工通常都不用切削液，是最典型的干切削加工方式。

铸铁干切削目前研究主题是如何提高加工效率。

美国LeBLond公司研究开发的“红月牙”(Red Crescent)铸铁干切削技术就是采用陶瓷或CBN刀具进行高速加工。

由于切射速度和进给量很高，产生的热量很快聚集在刀具前端，使这一部分材料达到红热状态，其屈服强度下降，可大大提高切削效率。

通常铸铁的金属切除率(车削)为16cm3/min，而采用红月牙干切削加工可使其提高到149cm3/min。

4.2 钢的干切削对于钢的干切削，早已引起人们的注意。

美国的LeBLond发明了一种专利工艺，利用这种工艺在切削速度高达305m/min时，可用硬质合金刀具对淬硬钢(HRC>50)及钛合金进行干车削加工，切削热由通过主轴的高压冷却气带走，切削温度可降至最低。

日本Syun—Ichi Yamagata研究开发了钢材的干式挤压丝锥，与普通的湿式挤压丝锥相比，刀具寿命可提高几倍到几十倍。

如用普通挤压丝锥加工冷轧钢板上M4x0.7的通孔螺纹，加工约7000个孔时，丝锥切削部分便产生粘结和磨损，使切削无法继续进行，而采用干式挤压丝锥加工50000个以上的孔也不会产生粘结和显著的磨损。

4.3 铝合金的干切削铝合金导热性好且熔点低，加工时工件的热膨胀严重，切屑易和刀面粘结，堆积在容屑槽中，产生严重的问题。

因此，对铝合金进行干钻、铰、攻丝和端面铣削加工时，刀具应具有合适的涂层，有时采用微量切削液润滑可取得更好的加工效果。

PCD涂层刀具用于干车削铝合金工件，可取得良好的效果；人造金刚石刀具在切削铝合金时，形成积屑瘤的倾向极小；用PVD工艺生产金刚石涂层刀片，适合于干铣削铝合金。

4.4 镁的干切削镁是金属中最难加工的材料之一，因为镁具有易燃性，与切削液中的水反应会生成氢化镁，并放出危险的氢气，造成切削液中的水硬化，且镁一旦受潮就成为污染物。

因此，镁必须采用干切削加工技术[9]。

4.5 其它材料干切削美国的LeBLond发明了一种专利工艺，利用这种工艺在切削速度为305m/min 时，可用硬质合金刀具对淬硬钢(>50HRC)及钛合金进行干车削。

加工中产生的热量可由通过主轴的高压气体冷却，可将切削温度降至最低，每转中可将刀具与工件的接触限制在25% [10]。