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。
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?。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。
2 干切削技術(shù)
干式切削是一種在加工過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。近年來工業(yè)發(fā)達(dá)國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年的國際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)年會(huì)上，德國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月在美國國家科學(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)美國干切削發(fā)展的主題報(bào)告，干切削技術(shù)已經(jīng)在各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界引起廣泛的關(guān)注。
目前包括歐洲、美國和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，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)行過系統(tǒng)的研究，并取得了不少的研究成果。我國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。但總的來說，我國在干切削理論研究方面和國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(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(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]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，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(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。
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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