干切削加工

干切削加工技术的发展与应用

孙宇机092 0910012052

环境保护是人类生存生产持续发展及高质量生产的需要，工业生产对环境的污染和破坏主要体现在生产过程，产品的运行过程产生的废弃物的排放及能源，原材料和其它资源的不合理消耗等方面，消除或减少工业生产对环境污染的根本出路在于推广应用清洁制造工艺技术，为此我们必须仔细分析生产过程的每一要素，改进传统工艺或开发新型替代工艺。对切削过程的研究表明;切削液传统的冷却，润滑，排屑等作用在加工过程中得不到充分而有效的发挥，因此，人们试图不用或少用切削液来改变这种状况，以适应清洁生产工艺及减小生产成本的要求。干切削加工技术就是这样的一种方法，它能较好地解决生存环境，技术与经济之间的协调关系并促进加工技术的持续发展。

1.干切削技术的内涵

干切削加工已不是新名词了。早已为人们所熟知"干切削加工是金切领域近年来发展起来的一项关键技术" 所谓干切削并不是真正意义上的干切削，而是相对于传统的切削加工中用大量冷却润滑液的所谓湿式加工而言的" 干切削过

程中取消了传统的冷却润滑液，而改用油雾冷却润滑。消耗的润滑剂很少" 因此，干切削也叫少量润滑剂加工法，即MMS加工。例如德国公司加工铝制变速箱壳体时，每个箱体用300L空气与1g油混合成油雾通过工作主轴供给刀具切削刃，达到冷却润滑的目的。应用MMS加工法时要用专门的油雾发生器"。

2.干切削的特点

a.由于不使用切削液，完全消除了切削液导致的一系列负面效应。与湿切削相比，干切削具有以下优点：

(1)形成的切屑干净、清洁、无污染，易于回收和处理；

(2)省去了与切削液有关的传输、过滤、回收等装置及费用，简化了生产系统，节约了生产成本。

(3)节省了与切削液及切屑处理有关的费用；

(4)不产生环境污染及与切削液有关的安全与质量事故。

由于具有这些优点，干切削已成为目前清洁制造工艺研究的热点之一，并在车、铣、钻、铰、镗削加工中得到了成功的应用。并且切屑清洁、无污染、易于回收处理；节省了与切削液有关的供应、回收、处理的一切费用，降低生产成本；不污染环境。

b.干切削工艺的不足之处

和相同条件下的湿切削加工相比，干切削也有不足的地方：

(1)直接的加工能耗(加工变形能和摩擦能耗)增大。切削温度增高；

(2)刀具、切削接触区的摩擦状态及磨损机理发生改变，刀具磨损加快；

(3)切屑因较高的热塑性而难以折断和控制，切屑的收集和排除较为困难；

(4)加工表面质量易于恶化。

而且若在切削加工中不使用切削液，会使切削环境恶化，在切削加工区，刀具与切屑、刀具与工件之间的摩擦加剧，切削力增大，切削热增加，切削温度升高。

刀具耐用度降低，工件加工表面质量变差。因此，干切削加工并不是简单地取消切削液就能实现的，需要根据切削加工的特点，合理地选择刀具材料，设计合理的刀具角度，创造良好的切削条件。使干切削成为可能。

3.干切削加工技术的应用

a)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。目前的研究主题是如何提高其加工效率。美国LeBlond Makino公司研究开发的“红月牙”铸铁于切削技术就是利用陶瓷或CBN刀具进行高速加工。由于切削速度和进给量很高，产生的热量很快聚集在刀具前端，使被加工面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”于切削加工，可使其提高为149cm3／min；b)铝的干切削：铝材的应用量在不断增加，特别是在汽车行业更是如此。铝材的高效干切削加工就成为必须解决的问题。美国Turchan公司研制了一种用于开口零件平面铣削的机床，并配有获得专利的真空系统，排屑非常流畅。金刚石刀具是有色金属干切削成功应用的关键。美国QQC公司开发了一种可使金刚石与基体材料之间得到真正冶金结合的扩散工艺，可进行涂覆，其优点是导热系数大，扩散快与铝材不亲合；

c)镁的干切削：镁是金属中最难加工的材料之一，它具有易燃性，与切削液中的水会产生反应，造成切削液中的水硬化。而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。

4.干切削刀具的设计方法

干切削刀具通用如下设计方法：

(1)基于自由切削的原理，设计刀具切削部分的几何形状，以减少由于流屑干涉引起的切削能耗；

(2)尽量增大刀具切削部分单位表面积所包含的材料体积，提高刃部和尖部的瞬问受热能力；

(3)使刀具为负前角或使前后刀面凸起，以延缓月牙洼对刀刃的损害，这种方法在一些新型刀具上已有应用；

(4)增大负刃倾角，改善刀刃及刀尖的切入状态，以提高刀具抗冲击和抗热震能力；

(5)加大切削在前刀面断屑台上的变形量和增加断屑台的个数，以提高对强韧性切屑的断屑能力。

5.实现干切削加工的关键技术

在干切削加工中，由于缺少了切削液的润滑、冷却、排屑等作用，切削力、切削热会大量增加，切削区温度急剧上升，刀具磨损和机床变形加剧；同时，工件加工质量变差。要使干切削在规定的时间达到与湿加工相当、甚至超过湿加工的加工质量和刀具耐用度，就必须对包括刀具、机床、工件在内的整个工艺系统进行全面的考虑并采取相应的措施，消除干切削的不利影响。

6.干切削刀具设计

（1）开发适应干切削加工的刀具材料

开发适应干切削加工的刀具材料是干切削技术中的关键技术。在干切削加工时，为了加速排屑与散热，提高刀具的使用寿命，一般采用比普通加工要高的切削速度，因此，干切削刀具材料应具有很高的红硬性和热韧性。目前适用于干切削的刀具材料有超细颗粒硬质合金、立方氮化硼(CBN )、聚晶金刚石(PCD )、SiC 晶须增韧陶瓷和纳米晶粒陶瓷材料等。超细颗粒硬质合金具有很好的韧性和耐热性，适用于需要大前角的场合，可用于干切削中使用的钻头、深孔钻。CBN 材料的硬度高达HV3200~4000 ，具有很高的耐热性和抗化学腐蚀性，适用于对铸铁和淬火钢干切削的工具中。而PCD 材料的硬度约为CBN 的2 倍，其导热性好、热膨胀系数也很小，特别适合于对各种铜铝合金、非金属材料和复合材料进行高速干切削的工具中。近年来，在Al20 3机体中添加20% ~30% 的SiC 晶须形成了“晶须增韧陶瓷”，SiC 晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，它是一种很有发

展前途的刀具材料。

（2）开发刀具涂层技术

对刀具表面进行涂层处理可减小刀具与工件表面之间的摩擦，减小切削力，降低对切削液润滑作用的依赖。

目前，用于干切削刀具的涂层技术主要有两种，一是“硬”涂层，如TiN、TiC、和Al20 3等。其优点是硬度高、耐磨性好，如TiC 涂层刀具抗后刀面磨损能力强，而TiN 涂层刀具则有较理想的抗月牙洼磨损能力；二是“软”涂层，如MOS 2

涂层和WS 2涂层等。其优点是表面摩擦系数很低，大约只有0.01。用这种涂层刀具进行切削，可以减少刀具与工件和刀具与切屑之间的摩擦，故又称为自润滑刀具。如德国Gubring 公司开发的“M0VIC ”软涂层工艺，就是在刀具表面涂覆一层MOS 2。实验表明，在含9% Si的铝合金上进行干攻丝加工，普通丝锥只能加工20 个孔，TiAlN 涂层丝锥可加工1000 个孔，而M0VIC 涂层丝锥可加工4000 个孔。

（3）优化刀具几何形状

针对干切削加工特点，刀具的几何形状也须进行优化：第一，减少刀具与工件表面之间的接触面积。如将钻头的导程加大，倒锥角加大，以便顺利排屑，防止阻塞。这样改进后效果非常明显，钻孔能力提高了数倍，如美国CarbOly公司把刀片制成超大正前角，加强刃，前刀面呈多条弧形沟，减少切屑与前刀面接触，使切削温度大为降低，采用通常切削速度，刀具寿命可提高3~4 倍。第二，考虑刀具表面的最大润滑性，防止积屑瘤的产生。此外，在干切削加工时，细颗粒硬质合金刀具和PCD 刀具的切削刃口可作微小钝化，以其自身基体的强度来保持刀口的锋利，达到降低切削温度的目的。这不但可保持刀具的优良性能，还可保持刀具的最佳使用寿命。

7.结束语

干切削加工从根本上解决了切削液带来弊端，极大地节约加工成本，保护生态环境，还对传统湿加工生产方式进行批判挑战。绿色加工技术，是面向21世纪前沿制造技术。随着机床技术和相关工艺研究的深入，干切削技术必将成为金属切

削加工的主要方向。