金属切削加工发展趋势之一——干式加工

引言
进入90年代以后，工业发达国家的机械制造行业受到政府的环境立法和降低成本的双重压力。

因为环境问题和资源问题是当今和将来人类社会面临的主要问题，特别是环境问题对人类的危害越来越大，制造业是产生环境污染的主要根源。

如何使制造业尽可能少地产生污染，提出了“绿色制造”这一概念。

干式加工是未来金属切削加工发展趋势之一。

近年来，特别是工业发达国家，非常重视干式切削，为了贯彻环境保护政策，更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。

切削液在加工中对降低切削温度起了很好的作用，也有利于断屑和排屑，但同时也存在一些问题，冷却液的使用、存储、保洁和处理等都十分烦琐，且成本很高。

冷却液对环境和操作者身体健康的危害一致受到使用限制。

冷却液的处理是不经济的，引起了费用增加，这些费用常常被低估，因为它们包含在间接费用之中。

据美国企业的统计，在集中冷却加工系统中，冷却液占总成本的14~16%，刀具成本只占2~4%，见图1。

据测算，如果20%的切削加工采用干式加工，总的制造成本可降低1.6%。

因此，未来加工的方向是采用尽量少的润滑液，由于切削材料和涂层使得干加工在机械制造领域变为可能，对环境有利和降低制造总成本的方法：干式加工。

图1 冷却液所占费用比例
一．干式加工刀具设计
刀具设计时总是考虑几何形状、刀具材料和涂层之间的相互兼顾，不可能只通过选择合适的刀具材料来用于干加工；或者只用涂层方法使传统的刀具变成干加工刀具。

传统切削加工时，各种加工方式对刀具设计提出不同要求。

干加工刀具必须具备下列条件：
耐热性、耐磨性的刀具材料λ
切削和刀具之间的摩擦系数要尽可能小λ
刀具形状保证排屑流畅，易于散热λ
高的强度和冲击韧性λ
因此，干式加工刀具设计必须考虑如下三个方面：
1.1 几何形状
去热是干加工的基本问题。

刀具设计时要考虑使得刚开始加工产生热的可能性要小，它们必须：
切削力小λ
摩擦小λ
深孔加工刀具附加问题是很难将切屑排出，因此刀具设计必须保证：好的切屑排出效应。

在很小的加工力的情况下，设计原则为：大前角和大圆度切削角。

1.2 刀具材料
干加工时切削材料最重要的是耐高温性。

如果必须用大的前角的话，高硬度也是必须的。

目前适用于干式加工的刀具材料有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。

①超细颗粒硬质合金
硬质合金中P类硬质合金有最好的耐高温性，但它不能适合所有的场合。

因此，适用场合需要大前角的话，细颗粒硬质合金有很好的韧性和刃口强度。

故此材料可用于干式加工，如钻头、深孔钻、刀片等。

②CBN
CBN材料的硬度高达3200-4000HV，热传导率1300w/m.k, 具有良好的抗化学腐蚀性，且在高达1200℃的温度下表现出良好的热稳定性。

CBN有很高的耐热性和高温硬度，很适合干式切削。

CBN主要用来加工铸铁和淬火钢。

淬火硬度HRC60-65、HRC70等淬硬工件可采用CBN 进行干式加工，以取代用磨削来加工的工序。

另外，CBN加工铸铁时，切削速度可大幅度提高。

为了提高铸铁在高速切削的寿命可采用干式切削。

③PCD
金刚石烧结体的硬度是7000-8000HV，约为CBN的2倍，其热导率好达到2100w/m.k,热膨胀系数也很小。

金刚石能迅速将热量从刀具尖端传递到刀体内部，从而有利于维持紧密公差，减少金刚石出现热损伤的可能性。

金刚石工具主要用在铜合金、铝及铝合金，钛及其合金，也可用于极耐磨的高性能材料，如纤维增强的塑料，金属复合材料，木材复合材料。

PCD刀具干式加工铝合金可以达到很高的切削速度和很长的刀具寿命，采用锋利的切削刃和大正前角高效切削这些材料，使切削压力和屑瘤达到最小。

④陶瓷和金属陶瓷
陶瓷和金属陶瓷做成的刀具发展较快，是耐热性、高温硬度、化学稳定性好的刀具材料。

因此，也适合于干式切削加工铸铁和淬火钢。

金属陶瓷是硬质合金的一种类型，它含有钛基化合物，粘结剂是镍或镍钼。

它在加工材料硬度超过HRC40时，热硬性较差，主要适用于高精度工件和表面质量要求较高时。

陶瓷刀具比硬质合金有更高的化学稳定性，可在高的切削速度下进行加工并持续较长的时间。

氧化铝陶瓷的缺点是强度和韧性很低。

氮化硅陶瓷的高温机械冲击性能比较好，与氧化铝陶瓷相比它的缺点是在加工钢时它的化学稳定性不好。

1.3涂层
现今,切削加工可以不采用切削液的原因之一是涂层,他通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低温度冲击.因此刀具材料可通过涂层处理,实现“固体润滑”来减少摩擦和粘接，刀具吸收的热量较少，能承受较高的切削温度，涂层在干式加工中有几种功能：
1.将刀具和切削材料隔离。

2．减少摩擦。

3．隔热。

干加工刀具通常总是涂层，它的厚度在1- 5um之间，在刀具性能方面起着重要作用。

TiAiN涂层有很好耐热性能和高温性能，它与TiN，TiCN相比，由于添加了Al，从而使刀具的抗氧化性能得到极大改善，非常适用于高速加工和干加工，见图2。

它的性能在高温连续切削时，优于TiC 四倍，TiAiN 在高温下比TiN 更硬，而且稳定性好。

图2 涂层TiAiN 与TiN、TiCN的性能比
二. 干式加工的冷却和润滑
干式加工时如果采用喷雾进行冷却，那么采用冷却液加工时的负面影响此时就没有了。

也就是意味着，刀具和工件不用长时间冷却，切削和刀具之间的分离时间较短，而排屑显得比较困难。

解决这些不利因素的方法，可以通过上面所说的刀具设计和涂层技术来补救。

尽管这些有所改善，但有时还是不够的，还须增加使用冷却和润滑。

干式加工中加入冷却或润滑也称为准干式加工（见图2）。

实际应用的情况：
压缩空气或冷风进行冷却。

车削采用-20℃冷风。

磨削冷却方式：-30℃冷风+少量润滑油。

λ
喷雾润滑，用于钻削。

λ
在接近6bar压力下的压缩空气（或冷风）可以代替冷却和将切屑排出。

在微量混合润滑（MML）系统里，压缩空气中添加了少量高性能润滑剂。

尽管流量较小（5-50ml/h），它们可以防止刀具冷焊，如加工铝件粘刀。

另外，MML可降低刀具温度，见图3。

三. 干式加工的应用
干式加工意味着可以在钻削、车削和镗削过程中不用冷却液。

这可以大大节约成本和保护环境。

目前，欧洲和日本非常重视干式加工的研究，一般来讲，减少冷却液的使用可以节省10%到15%的加工成本。

欧洲的工业界已经逐渐意识到了干式加工的优势，在大批量生产中，约有10%到15%的加工已经采用了干式加工。

1. 钻削
①钻头
为了能进行干式加工，采用热稳定性好的材料和优化的刀具几何形状是不能达到目的的。

我们还需要隔热好的硬涂层，TiAlN与TiN或TiCN相比较而言，是最好的隔热涂层。

钻头的材料一般采用细颗粒硬质合金，在一些小直径的情况下，可用HSS-CO。

德国Gühring 公司在此基础上开发了一种M-涂层，就是在一层硬涂层的外面，再涂一层软涂层。

这种M-涂层在干加工钢件时有明显的优点（见图4）。

②深孔钻
德国Titex提供了一种特殊深孔钻Alpa22，见图5，专门用于深孔的加工，刀具材料是超细颗粒硬质合金，钴含量较高，刀具形状进行过优化。

这种深孔钻可以不用润滑液和冷却液，加工7-8xd的深孔。

AlPHA22 图5
2. 铣削
①超细颗粒硬质合金
一般为了实现干式加工，主要在涂层方面进行开发研究。

Sandvik公司已经为干式加工专门设计了多种刀片，其中典型的是带有较厚氧化铝涂层的刀片。

②陶瓷、CBN、PCD
图6
陶瓷、CBN和PCD材料刀片已经开始再铣削干加工中应用，采用这些材料的刀片，切削速度可大大提高。

陶瓷和CBN一般用在灰铸铁的加工，比如缸体（见图6）。

而PCD刀片一般用于铝合金和非金属材料，如缸盖。

3. 镗削
图7
在缸体的缸孔的粗加工中，为了提高加工效率，采用氮化硅陶瓷刀片进行干加工。

举例：在粗镗Φ72的缸孔，用Si3N4刀片（见图7），转速为3200rpm，进给两0.75mm/r，加工一个缸体只需5秒，大量切削热被刀屑带走，减少了工件热变形。