干切削加工刀具及其设计
干式切削
典型干式加工
机架
材料: St37K
(DIN 174 FL 50x40)
加工设备: TRAUB TNA 300 速度:
50－ 5,000 rpm
冷却润滑剂 :
以前 (wet):
乳化液
现在 (MQL)
准干式润滑剂
准干式加工典型应用
盖板
Material:
GG 20 RD40
Machine: Heckert BAZ CWK400D Speed range: 50 15,000 rpm 冷却润滑剂:
原来 (wet)
乳化液
现在 (MQL) 准干式润滑剂
Time saved: 67 %
垫板
Material:
GG 20 RD40
Machine: Heckert BAZ CWK400D Speed range: 50 15,000 rpm 冷却润滑剂:
原来 (wet)
乳化液
现在 (MQL)
准干式润滑剂
Time saved: 53 %
机架
Material: 16MnCr5 1.7131 (DIN 1017 FL40x30) Machine: Heckert BAZ CWK400D Speed range:
50 15,000 rpm
冷却润滑剂:
原来 (wet)
乳化液
现在 (MQL)
准干式润滑剂
Time saved: 58 %
联接法兰盘
Material:X10CrNiS189 1.4305(DIN668 RD30) Machine:TRAUB TNA300
Speed range:505,000rqm
冷却润滑剂:
原来(wet)乳化液
现在(MQL)准干式润滑剂
Time saved:59 %
Time saved:73 %
干式切削加工关键技术及应用
干式切削关键技术及应用
绪论：由于生态效益和经济效益的驱动，绿色制造技术被广大的
学者提了出来。对于传统的机械加工方式而言，干式切削加工方式是
最可行的应用之一。要实现干式切削有许多问题需要解决，主要是关
于刀具、机床和切削参数方面的。这几个方面的选择要兼顾，才能很
好的实现干式切削。干式切削是我国未来的机械加工发展的一个趋
势。
关键词：干式切削技术材料涂层意义
Abstract：As the drive of the ecological and economic benefits, green manufacturing technology has been put out by the majority of scholars. In terms of the traditional manufacturing , the method of dry cutting is one of the most feasible application. In order to achieve the dry cutting, there are still many problems to be solved, mainly about the tools, machine tools and cutting parameters.In order to make a right choice,you had better think all of those factors. Dry cutting machining is a trend in the development of manufacturing in our country. Keywords:Dry cutting Technology Material Coating Significance
第二章 干切削加工工艺技术
因此，刀具材料应具有更高的耐热性（ 既红硬性）和韧性， 良好的耐热冲击性，抗粘结性和更高的耐磨性。否则，刀具将很 快磨损或破损，降低刀具切削能力，降低刀具耐用度。干切削时， 常用的刀具材料有纳米级颗粒硬质合金，粘结硬质合金，涂层硬 质合金，陶瓷，立方氮化硼，聚晶金刚石等。 2、采用先进的涂层技术 对刀具表面进行涂层可以取得使用切削液的作用，它产生隔 热层，使切削热不会或很少传入刀具，能在较长时间内保持刀具 的锋利和坚硬。 涂层技术有单层和多层涂层技术。 ⑴ 采用新的沉积技术将硬质合金、钢材等作为涂层来降低摩擦 系数。 ⑵ 采用( 超硬) 涂层：将固体润滑剂和刀具主体材料相结合在 刀具表面形成良好的滑动表面，具有较好的润滑功能，并能有效 抑制积屑瘤的产生，减少切削力，降低切削温度，提高刀具耐用 度和寿命。
干式切削
干式与准干式切削技术
目前绝大部分的金属切削加工是以使用切削液的湿式方式进行的。切削液具有冷却、润滑、清洗和排屑等功能，对延长刀具使用寿命和保证加工质量起着重要的作用。但是近年来，随着人们对环境保护的日益重视，切削液所带来的一系列负作用已受到关注。一方面，切削液的广泛使用需消耗大量的能源和资源，增加加工成本，据德国一些公司的统计数据显示，冷却液费用占总制造成本的16%，而切削刀具消耗的费用只占成本的3%^-4%；另一方面，切削液对环境的污染较为严重，甚至危害操作人员的健康。为此，越来越多的学者开始倡导“清洁生产”的理念。
干式切削是消除切削液污染、降低产品成本、实现清洁生产的最有效途径。实现干式切削的最大技术难题是刀具，它是使干式切削加工得以顺利进行的关键因素。必须选择合理的刀具结构和刀具材料，设计合理的刀具几何参数，并采取相应的工艺措施。干式切削技术己成为金属切削加工发展的趋势之一。
（1)干式切削加工对刀具材料的要求
干式切削加工过程中，刀具要承受很大的压力，同时由于切削时产生的金属塑性变形，以及在无切削液的情况下刀具、切屑、工件相互接触表面间将产生更强烈的摩擦，使刀具切削刃上产生极高的温度并受到很大的应力作用，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损。因此，干式切削刀具必须具备以下性能：
①具有较高的耐热性和良好的耐磨性；
②具有更高的强度和耐冲击韧性；
③切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小。
目前适用于干式切削的刀具材料有超细颗粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷及金属陶瓷、CBN及PCD等。
对硬质合金刀具来说，表面涂层是提高其性能的最有效措施。涂层在切削过程中的作用如同在刀具与切屑／工件之间增加了力和热的隔离层，可有效地阻止将热量传递到刀具基体上。另外，MOS2等“软”涂层可有效降低刀具表面的摩擦系数。
干式滚齿刀具的参数化设计及优化
ｔ ｒ ａａ ｅｅ ｎ ｕ ｔ ｇｐ ａ ｅｅ ｉｈ ｔ ｋ ｓａｃ ｕ ｔｏ ｈ ｍ ｉ ｏ ｈ ｓ ａ ｔｒ ｕ ｈ ａ ｈ — ｕ ｅｐ ｒ ｍ ｔｒａ ｄ ｃ ｔｉ ａ ｍ ｔｒｗｈｃ ａ ｅ ｃ ｎ ｆ ｅｌ ｔ ｆｔ ｅｅｆｃｏｓｓ ｃ ８ｔ ｅｍａ ｎ ｒ ｏ ｔ ｉ
Ｐａｒ ｍ ｅ ｅｒｚ ｄ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｙ Ｈｏ ｄ Ｉ ｐ ｉ ｉａ ｉｎ ａ ｔ ｉｅ ｓ ｇ ｆＤｒ ｂ ａｎ ｔ Ｏ ｔｍ ｚ ｔｏ ｓ
Ｌ， Ｈａ ａ ｇ．ＴＯＮＧ ｎ ｈ ｉ Ｕ Ｏｉｎ Ｒｏ ｇ ｕ
干式切削加工技术及其应用
干式切削加工技术及其应用2009-5-18 id=zoom>制造业是产生工业污染的主要来源之一，其中传统加工所使用的切削液给环境造成了严重的污染。随着人们对环境保护的日益重视，尤其是环境保护法规的严格实施，对制造业产生的环境污染提出了更高的要求。一种能减少对环境污染、节约资源和能源的绿色制造技术——干切削加工技术，越来越受到人们的重视。近年来，许多发达国家在工厂条件允许的情况下正积极地采用干式切削加工技术，以达到减少切削加工 的润滑污染、降低加工成本的目的。 1 干式切削加工相关技术 干式切削加工技术是在无冷却或少许润滑油、剂的条件下，采用高切削速度进行切削加工的方法。在于式切削条件下，失去切削液、冷却、清洗、排屑的作用，切削条件非常恶劣。在切削区域会产生大量的切削热将无法及时的散发，温度和切削力大幅度上升，摩擦力增大，刀具磨损加快，生产效率降低。因此要使干式切削加工工艺得到很好地推广，充分发挥其优势，克服其缺点，就必须要很好地解决干式切削加工相关地技术难题。 刀具结构 干式切削刀具应满足以下要求： 刀具材料应有良好的耐热性和耐磨性； 切屑及刀具之间的摩擦系数要尽可能小； 刀具的结构要保证排屑流畅与散热； 刀具应有高的强度和抗冲击韧性。 图1 热管式车刀图2 热管式铣刀图3 ALPHA22钻尖结构刀具结构为了保证干式切削对断屑、排屑及自冷却的要求，必须对刀具结构和几何参数进行优化。如： 在切削力较小的情况下，可采用大前角和大圆度切削角； 采用负前角或前后刀面凸起，以延缓月牙哇对刀刃的损伤； 增大负刃倾角，改善刀刃及刀头的切入状态，提高刀具的抗冲击和抗热震能力。 图1 为热管式车刀结构、图2为热管式铣刀结构。其结构特点是在车刀的刀体和铣刀的每个刀齿内部制成空心的热管，配以冷气系统，可把大量的切削热量带走。图3为德国TITEX公司开发的干式深孔钻头“ALPHA22”钻尖结构。该钻头刀刃经过专门优化设计，以减少刀具与工件间的接触强度。 刀具材料 近几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是：超细硬质合金、陶瓷刀具、金刚石与氮化硼等超硬度材料。 超 细 硬 质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可用于制作大前角的深孔钻头、刀片作铣削和钻削的干式加工。立方氮化硼(CBN)材料的硬度高，达3，200～4，000HV，仅次于金刚石、热传导率好
干切削加工
干切削加工刀具及其设计
1.概述
随着环境保护法律法规越来越严格，国外在汽车以及中小型制造业中，干切削的应用越来越广泛，目前在西欧已有近一半企业采用了干式切削加工，德国企业尤为普遍。
日本的《生产设备市场》杂志选出的1997年日本工厂自动化行业的国内十大新闻中就包
括“保护环境的加工技术具体化”。由此可见：干切削加工技术将成为未来加工技术的发
展方向之一。
干切削并不是简单地取消切削液就能实现，有意义且经济可行的干切削加工要求仔细分析特定的边界条件和掌握干切削加工的复杂因素，并为干切削工艺系统的设计提供
所需的技术数据。干切削加工刀具工作条件恶劣，寿命缩短。因此，须合理选择刀具材
料及涂层，设计合理的刀具几何参数。本文分析干切削加工的特点，提出了干切削对刀
具的具体要求，讨论了干切削刀具的设计要点。
2.干切削加工对刀具的要求
干切削加工就是要在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同或相近的切削条件。
因此，对刀具提出了更高的要求。
1.刀具应具有优异的耐高温性能
目前的刀具材料，如新性能硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等有足够的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。此外，最有效的方法就是对刀具进行涂层。涂层在切削过程
中的作用如同在刀具与切屑之间增加了一道力和热的隔离层，可阻止将热量传递到刀具
基体，因而能保证刀具切削刃锋利，使刀头硬度不会很快下降，可大大提高其耐高温性
能。生产实践证明，尽管在干切削中还不能将切削区产生的热量完全随切屑排出，但只
要合理选择刀具几何形状、切削参数，将能使绝大部分切削热随切屑排出，取得良好的
干式切削在生产中的应用
加工的润滑污染、降低加工成本的 目的。在机械加工领域，有各种各 样的环保技术，大体上可分为节约
对其进行处理和清理。处理时，污 物占废屑的最大允许值为废屑重量 的３ ％，处理后要求污物占废屑重
液是以化学合成的油剂为基液来使 用的，因此应充分注意它和水的亲
■■一
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wenku.baidu.com
摩擦、隔热。干式加工刀具通常是
涂 层 在 刀 具 性 能方 面 起 着 重要 作 用 。Ｔ Ａ Ｎ 层有很好耐热 性能和 ｉ Ｉ涂 高温性 能 ，它与ＴＮ、ＴＣ 相比 ， ｉ ｉＮ 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
高速加工和干式加工。它的性能在 高温连续切削时优于Ｔ Ｃ ｉ 的四倍 。 图２ 为热管式车刀结构，图３ 为热管
一
些 孔加 工 刀具 制造 厂 家和 机床 制造 厂 对干 式 切 削加 工技 术进 行研
润滑”，减少摩擦和粘接，刀具吸 收热量较少，能承受较高的切削温 度。涂层在干式加工 中有几种功
能 ：将刀具和切 削材料 隔离 ，减少
究开发 ，把铝件 的钻 削、攻螺纹 、铰 削和镗 削加 工方法 作为研 究开发的 目 标。
在干式切削加工中， 选择了润滑、冷却和排屑性能优 良的半干式切削
加工 ，雾状切 削剂供给方式 把外部 混合 内部供给 方式作为 研究 开发的主要 内容 。外部 混合 方式可供给 的喷 雾量少 ，但作为技 术核心 的喷雾 生成部分 开发的 自由度大 ，主轴 内部 结构不 需做大 的改动 ，因此 ，可在所有 制造厂 家生产 的设备上 采用 。
干式(绿色)切削技术
（1）切削热的传出 设置内循环冷气系统可提高机床工艺系统的热稳定性， 在加工区的关键部位设置温度传感器用以监控机床温度场的 变化情况，必要时也可通过数控系统进行精确的误差补偿。 （2）切屑的排出 ① 为便于排屑，干式切削机床在设计时应采用立式主轴 和倾斜床身。 ② 采用特殊排屑措施。
冷却系统
图4-4 风冷却系统
11
4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（1）低沸点液体汽化间接制冷
图4-5 低沸点液体汽化间接制冷原理
12
4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（2）制冷剂压缩机循环间接制冷
图4-6 制冷剂压缩机循环间接制冷原理
13
4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（3）空气绝热膨胀直接制冷
图4-7 空气绝热膨胀直接制冷原理
14
4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（4）涡流管直接制冷
1—喷嘴，2—孔板，3—涡流室，4—控制阀 图4-8 涡流管直接制冷原理
15
4.3.1 风冷却切削
冷却原理
制冷方法
低沸点液体制冷
压缩机循环制冷 空气绝热膨胀制
冷 涡流管制冷
表4-2 四种制冷方法性能的比较
装置复 杂程度
初始成本 运行成本
可控性
实施MQL技术的关键问题有两个：一是如何保证切削液可 靠进入切削区进行充分冷却润滑；二是如何确定所需的切削 液用量。
干切削加工关键技术的研究
环 境 问题 和资源 问题 ，是 当前 以至今 后人类 社会 面临主
要 问题 。为实现可持续发展 战略 目标 ， 制造企业取得经 济效 使
益 与 社 会 效 益 协 调 优 化 ， 究 实 现绿 色 制 造 ， 指 导 业 界 生 产 研 对
具有十分重要 现实意义 。
（） １ 直接的加工能耗 （ 加工变形能 和摩 擦能耗 ） 大 ， 削 增 切 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
用 ， 化 了生产系统 ， 约了生产成本 。 简 节
新 工艺 和新技术 。随着绿色制造 、 清洁制造等生产理念 的成熟 ，
人们越来越清醒地意识到 ， 切削液大量使用所带来负 面影 响 ：
一
（） 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 。
关键词 ： 干切 削 ； 削液 ； 键 技 术 切 关 中 图 分 类 号 ： Ｇ５ １ Ｔ ０ 文献标 识码 ： Ｂ
文章编号 ：６ ２ ５ ５ ２ １ ０ － １ ９ ０ １ ７ — ４ Ｘ（ ０ ６ ０ — ２ ０） ５
伴 随着信息技术 的发展 ， 制造技术 ａ ＿ 方法上涌现 了许 多 ｎ＿ Ｔ
中国刀具与切削加工技术的发展现状与趋势
中国⼑具与切削加⼯技术的发展现状与趋势
⾦属切削⼑具市场的发展现状与趋势
随着机床⼯业的飞速发展, 难加⼯材料⽇益增多。多功能复合⼑具、智能⼑具、⾼速⾼效⼑具逐渐成为现代制造技术的关键装备。⼑具材料与⼑具结构⽅⾯也有了新的发展。从⼯艺、性能、结构等⽅⾯对⼑具与切削加⼯技术的发展现状进⾏分析, 并对发展趋势进⾏展望。
1 ⼑具与切削加⼯技术的发展现状
1.1 开创了⾼速切削等新⼯艺, 全⾯提⾼了加⼯效率。⾼速切削作为⼀种新的切削⼯艺显⽰出独特的优越性。⾸先, 切削效率有显著的提⾼, 加⼯铝合⾦缸盖的PCD ⾯铣⼑, 铣削速度已达402lm/rain, 进给速度5670mm/min; 精加⼯灰铸铁缸体的CBN ⾯铣⼑, 铣削速度已达2000m/min, ⽐传统的硬质合⾦⾯铣⼑提⾼了10 倍。其次, ⾼速切削还有利于提⾼产品质量、降低制造成本、缩短交货周期。此外, 在⾼速切削技术的基础上, 开发了⼲切削(准⼲切削、微量润滑切削)、硬切削(以车代磨、以铣代磨) 等新⼯艺, 不仅提⾼了加⼯效率, 改变了传统不同切削加⼯的界限, ⽽且开创了切削加⼯“绿⾊制造”的新时代。硬切削技术已成为汽车齿轮内孔精加⼯、淬硬模具加⼯实⽤的⾼效新⼯艺。
1.2 以硬质合⾦材料为主的各种⼑具材料性能使硬质合⾦的性能不断改进, 应⽤⾯扩⼤, 成为切削加⼯主要的⼑具材料, 对推动切削效率的提⾼起到了重要作⽤。⾸先是细颗粒、超细颗粒硬质合⾦材料的开发, 显著地提⾼了硬质合⾦材料的强度和韧性, ⽤它制造的整体硬合⾦⼑具, 尤其是通⽤的量⼤⾯⼴的中⼩规格的钻头、⽴铣⼑、丝锥等⼑具, ⽤来代替传统的⾼速钢⼑具, 使切削速度和加⼯效率提⾼了数倍, 把量⼤⾯⼴的通⽤⼑具带⼊了⾼速切削的范围, 为切削加⼯全⾯进⼊⾼速切削阶段打下了半壁江⼭。整体硬质合⾦还在⼀些复杂成形⼑具中得到应⽤。其次, 硬质合⾦加压烧结等新⼯艺的开发和使⽤,提⾼了硬质合⾦的内在质量; 以及针对不同加⼯的需求开发专⽤牌号的做法, ⼜进⼀步提⾼了硬质合⾦的使⽤性能, 在作为化学涂层硬质合⾦⼑⽚牌号的基体材料时, 开发了具有良好抗塑性变形能⼒和韧性表层的梯度硬质合⾦, 提⾼了涂层硬质合⾦⼑⽚的切削性能和应⽤范围。陶瓷和⾦属陶瓷⼑具材料品种增多, 强度和韧性提⾼, 扩⼤了应⽤领域和加⼯范围, 在钢材、铸铁的精加⼯、半精加⼯中代替硬质合⾦, 提⾼了加⼯效率和产品质量。
用于干切削的新型刀具实验
用于干切削的新型刀具实验
一、前言
随着人类对资源和环境保护的日益重视，“清洁化生产”的概念已逐渐引起人们关注，并成为未来制造业的重要发展方向之一。
在金属切削加工中，切削液具有冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等功能，对延长刀具寿命，保证加工质量起着重要作用。但是，切削液的广泛使用，不但浪费大量资源，增加了加工成本，而且污染环境，甚至危害工人健康。切削废液的处理已成为现代制造业的一大难题。
干切削是消除切削液污染，实现清洁化生产的有效途径。干切削技术的发展在很大程度上要依赖于新型刀具的开发与应用。下面介绍两种国外新近开发的适用于干切削的新型刀具。
二、新型陶瓷刀具
陶瓷刀具由于具有高耐热性和良好的化学稳定性，非常适合用于干切削。但陶瓷材料脆性大、强度及韧性差等固有物理特性却在很大程度上限制了它在干切削中的应用。新型陶瓷材料的开发较好地解决了这一难题。
1．新型氧化铝陶瓷刀片
提高陶瓷材料强度及韧性最有效的方法是减小陶瓷晶粒尺寸，提高材料纯度。
在陶瓷刀片制造过程中，特别在高温烧结时，存在晶粒长大现象。为遏制晶粒长大，常在陶瓷粉末中加入MgO作为抑制剂，但该氧化物烧结后形成玻璃相，沉积于晶界处，使晶界分离，从而降低了晶界强度，且易产生晶间碎裂。如能在低温下烧结陶瓷，则无须添加抑制剂，就可避免上述现象，提高陶瓷刀片性能。
最近，日本学者开发了一种微细颗粒(0.22µm)、高纯度(99.99%)的新型氧化铝陶瓷粉末用于制造陶瓷刀片。这种微细粉末具有很大的比表面积(15.1m²/g)，压实时具有极大的表面能，在此能量作用下，烧结时所需温度明显降低，在1230℃时即可充分烧结，这就意味着烧结时无须添加抑制剂，从而使晶界处无杂质存在。
干切削刀具的设计理论研究
本 文在分析干切削加工特点的基础上 ，提出了 合金 ， 具有极好的韧性和刃 口强度 ， 可用于制作大前 干切削加工对刀具的基本要求 ，归纳了国内外干切 角刀具 。其通用性很强 ， 既能干加工钢材 ， 又能加工 削加工 刀具 的研究 进展 ，并针对干切削加工技术特 铸铁 ， 还能加工耐热合金 ， 特别是对难加工材料的干 点 ， 出了干切削研究领域值得重视的发展方 向， 指 以 切削效果尤为显著。超细硬质合金 由于其具有优 异 期对实际干切削加工刀具 的选择与应用等 ，起 到一 的性能 ， 常作为涂层硬质合金的基体材料 。
收稿 日期 ：０ １ｏ － ９ ２ １－ ６ １
作者介绍： 强（９２ ， ， 王 １６一）男 山东烟台人， 副教授， 山东商务职业学院机械工程系副主任 ， 本科学历， 机械设计制造及 自动化方
向 ； 磊 （ ９９ － ， ， 石 １７ ＿ ）男 山东 烟台人 ， 助教 ， 工学硕士 ， 机械设计 制造及 自动化方 向； 汤受鹏 （ ０７ ）男 ， １７ 一 ， 山东 烟台人 ，
保 护和可持续发展意识 的提 高和研 究的不断深入 ， ２ 干切 削刀具的实现途 径 切削液使用所带来 的负面效应越来越 明显 ：污染环 境， 危害工人身体健康 ， 切削液的处理增加企业 的生 ２１ 选 择 先进 的 刀具材 料 ． 产成本 。据测算 ，如果 ２ ％的切削加工采用干式加 ０ 进行经济的干式切削加工 ，刀具材料具有极为 工， 总的制造成本 可降低 １ ％。同时切削液 的供应 重要 的作用 。传 统的高速钢和硬质合金不能满足实 ． ６ 及冷却装置， 使得工艺系统十分繁琐复杂。 因此 ， 为了 际使用要求 ， 必须采用新型 的刀具材料 ， 这种材料具 消除切 削液带来 的负面影响 ，最有效 的方法就是取 有很 高的红硬性 和热韧性 。 目前适合干式切削加工 消切削液 ， 进行干式切削加工。此外 由于环境保护法 的刀具材料 ， 主要有超细硬质合金 、 金属陶瓷 、 陶瓷 、 规越来越严格 的要求 ，发达工业 国家已经把切削工 Ｃ Ｎ和 Ｐ Ｄ等 【］ Ｂ Ｃ ｌ。 － ３ 艺研究 和开发 的重点转向了干切削加工 ，并在制造 （） １ 超细硬质合金。 超细硬质合金是一种 晶粒粒 业领域推广应用干切削加工技术 。 度在 ０ —１ ｍ之间的高硬度 、高强度兼备 的硬质 ． ２
干式切削加工及所用刀具材料的选用 免费
干切削加工及刀具材料的选用
干切削是切削加工的发展方向
就在二十年前，切削液曾是非常便宜，在大多数加工过程的成本中，其所占比例不到3%。以至没有谁会对此多加注意。可是，现在不一样了，切削液在车间生产成本中所占比例上升为15%，这就不得不引起生产经营者的极大关注。
特别是那些含油的切削液已经成为一项很大的支出。更重要的是它的排放污染环境，国外环保部门要监控这些混合制剂的处理。而且，许多国家和地区也把它们划归为危险废物，如果其中含有油和某些合金，还要采取更为严厉的控制措施。再有，许多高速加工工序加了切削液会产生烟雾，环保部门也限制切削液烟雾释放量要在允许范围内，职业安全和职工健康管理部门为了降低切削液烟雾排放允许值，正在考虑一项咨询委员会的建议。其中包括制定比较高的切削液的价格政策。因此，越来越多的厂家开始采用干切，以避免这笔费用和与切削液处理相关连的麻烦。
以前，金属加工行业使用切削液已形成"习惯"，所以推广干式切削的主要障碍是这种习惯势力，他们认为切削液是取得良好加工表面、提高刀具寿命所必须的。也有许多人认为变湿切为干切，费用可能会更高。其实两种看法都不对。对于多数金切件，干切应该是"标准加工环境"。在高速下干车、干铣淬硬材料不仅可能，而且更经济。关键是要知道如何正确地选择刀具、机床和切削方法。尽管切削液在有些场合还是需要的，可是研究表明：由于今天的刀具材料有了很大发展，情况也在不断的变化。新的硬质合金牌号特别是那些涂层牌号，在高速、高温的情况下不用切削液，切削效率更高。事实上，对于间断切削，切削区温度越高，越不适合用切削液。
切削工具的分类及选型
切削工具的分类及选型
随着机械制造工业的发展，切削工具作为机械加工的关键工具，在
加工制造中发挥着不可替代的作用。各种材料的加工需要不同的切削
工具来实现，因此，选择合适的切削工具是机械加工的重要环节之一。本文将介绍切削工具的分类及选型。
切削工具分类
切削工具按照用途可分为车削刀具、钻孔刀具、铰孔刀具、刨削刀具、滚齿刀具、刃铣刀具等，按照切削方式可分为直线切削工具和旋
转切削工具。
直线切削工具
直线切削工具可分为手动刀具、半自动刀具和自动刀具三类：
1.手动刀具：常见的手动刀具有手锯、机锯、气割、手割、
切削刀等。
2.半自动刀具：半自动刀具指需要装上电磁铁、夹具或机械
手等辅助设备来完成操作的刀具。常见的有线切割机、火花放电
机等。
3.自动刀具：自动刀具指使用自动化设备进行操作的切削工
具，如数控机床。
旋转切削工具
旋转切削工具分为钻头、铣刀、车刀、切削刃等。
1.钻头：钻头是在钻孔刀具的基础上发展起来的，主要用于
钻孔以及开孔等加工中。
2.铣刀：铣刀是用于平面铣削和轮廓铣削的切削工具。
3.车刀：车刀是用于车削加工中的切削工具，分为内部车刀
和外部车刀两种。
4.切削刃：切削刃指那些安装在切削工具上且负责直接切削
材料的部件。按照切削形式可分为负刃、正刃和棱刃。
切削工具选型
在进行切削工具选型时，应该考虑以下因素：
材料的选取
切削工具应该配备相应材料的刀片或刀头，以满足工件性能的要求。一般来说，切削工具应选择比加工材料硬度高的材料制成。例如，加
工冷硬钢件时应使用高速钢刀片，而加工不锈钢件时则应选择钴基合
金刀片。
刀具几何参数的确定
干切削技术中两种刀具的应用
损很小 ， ＡＷ 刀 片 磨 损 面 相 当粗 糙 ． 是 因 为 普 而 这
［ 稿 日期 ］２０ —０ － １ 收 ０６ ３ ５ ［ 者 简 介 ］刘 小 鹏 （ ９ ６ ） 男 ，湖 北 仙 桃 人 ， 作 １５ 一 ， 湖北 工 业 大学 副教 授 ， 学 硕 士 ， 究 方 向 ： 械 系 统 设 计 与 模 具 设 计 工 研 机
１ 新 型 陶瓷 刀 具
陶瓷刀 具 由于具有 高 耐热性 和 良好 的化学 稳定
性 ， 常适 用于 干切 削． 陶瓷 材 料 脆性 大 、 度 及 非 但 强 韧性差 ， 些 固有 的物 理 特 性 限 制 了它 在 干 切 削 中 这 的应 用． 型 陶瓷材 料 的开 发 较 好地 解 决 了这 一 难 新
减小 陶瓷 晶粒 的尺寸 ， 高材料 的纯净程 度 ． 提 ］ 在 陶瓷刀 片制造 过 程 中， 特别 在高 温烧结 时 ， 存
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干切削加工刀具及其设计
合肥工业大学刘志峰
摘要适宜的刀具材料和刀具几何参数是干切削加工的关键条件之一。文章在分析干切削加工对刀具要求的基础上,阐述了干切削刀具设计的要点,并结合应用实例说明了刀具设计对干切削加工的重要性。
关键词干切削刀具设计加工技术工艺方法
1概述
随着环境保护法律法规越来越严格,国外在汽车以及中小型制造业中,干切削的应用越来越广泛,目前在西欧已有近一半企业采用了干式切削加工,德国企业尤为普遍[2]。日本的5生产设备市场6杂志选出的1997年日本工厂自动化行业的国内十大新闻中就包括/保护环境的加工技术具体化0。由此可见:干切削加工技术将成为未来加工技术的发展方向之一。
干切削并不是简单地取消切削液就能实现,有意义且经济可行的干切削加工要求仔细分析特定的边界条件和掌握干切削加工的复杂因素,并为干切削工艺系统的设计提供所需的技术数据。干切削加工刀具工作条件恶劣,寿命缩短。因此,须合理选择刀具材料及涂层,设计合理的刀具几何参数。本文分析干切削加工的特点,提出了干切削对刀具的具体要求,讨论了干切削刀具的设计要点。
2干切削加工对刀具的要求
干切削加工就是要在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同或相近的切削条件。因此,对刀具提出了更高的要求。
(1)刀具应具有优异的耐高温性能
目前的刀具材料,如新性能硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等有足够的耐高温磨损性能,能够在干切削条件下使用。此外,最有效的方法就是对刀具进行涂层。涂层在切削过程中的作用如同在刀具与切屑之间增加了一道力和热的隔离层,可阻止将热量传递到刀具基体,因而能保证刀具切削刃锋利,使刀头硬度不会很快下降,可大大提高其耐高温性能。生产实践证明,尽管在干切削中还不能将切削区产生的热量完全随切屑排出,但只要合理选择刀具几何形状、切削参数,将能使绝大部分切削热随切屑排出,取得良好的加工效果。[1]。
(2)切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小
干切削加工时,在切削区产生的高温产生化学不稳定性、刀具与切屑之间的摩擦增大、排屑速度减慢,极易产生积屑瘤,加剧刀具磨损。因此,须减小切屑和刀具之间的摩擦系数,最有效的方法就是进行刀具表面涂层,并设计排屑良好的刀具结构。如大螺旋角T iAlN涂层丝锥就是具有这种性能的干切削刀具。
(3)刀具的结构要能快速排屑
干切削加工中,为了保证工件加工质量和刀具寿命,要求刀具能快速排出切屑,使传入工件和刀具的热量大大减少。
(4)刀具应有更高的强度和耐冲击韧性
选择适宜于干切削的刀具材料,如超细晶粒硬质合金、陶瓷和金属陶瓷刀具材料、金刚石和CBN等,也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层,如T iAlN涂层、T iCN涂层、T iAlN+MoS2涂层、类金刚石DLC(Diamond-Like-Carbon)涂层等。金刚石和CBN可用于干切铸铁、过共晶铝合金、各种钢和钛合金等。
3干切削刀具设计要点及应用
311干车(铣)刀具设计要点
干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因,这是因为加工中刀具与切屑接触区域的温度升高所致。因此,通常应使刀具有大的前角和刃倾角。但前角增大后,刀刃强度会受影响,此时应配合以适宜的负倒棱或前刀面加强单元,使刀尖和刃口有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力,减缓冲击和月牙洼扩展,使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的强度。此外,配合大的刀尖前角和刀尖后角,可使刀具刃口楔角增大,减少刀具与已加工表面之间的接触长度,有效降低后刀面的磨损和破损几率。
采用如图1所示的几何形状刀片,可大大减小刀具与切屑之间的接触面积,使切屑带走大量热量。图2为干切削和普通车、铣的加工过程示意图。由图可见,当切屑流过普通刀片前刀面时,由于接触面积大,
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#5制造技术与机床6
传入刀具的热量多,从而产生月牙洼磨损,降低刀具寿命;而采用图1所示的刀片,刀具前刀面上有加强棱,刀具与切屑的接触面积也大大减小,绝大部分热量被切屑带走,切削温度可比普通刀片降低约400e ,同时也增大了剪切角,使刀具寿命显著提高,可允许采用更高的切削速度,提高了生产效率,若保持普通的切削速度,则刀具寿命可提高3~4
倍。
图1 干铣刀片的几何形状
对于陶瓷刀具,由于脆性较大,因此,可以选用T 型或双T 型棱面,或者研磨,或几种方法组合。如美国Valenite 公司推荐将0.5@30b 的T 型棱面用于Al 2O 3+TiC 刀片,干式加工淬硬钢,并尽量采用大的余偏角。根据不同刀片几何形状,半精车时的刀具余偏角为-5~30b ,常用的刀片几何形状是正方形、三角形和80b
菱形。
图2 干切削和普通切削的加工过程比较
对CBN 刀具,倒棱太大,加工淬硬钢时,在刀具与工件接触处产生高温使刃口很快磨损。因此,一般不采用大倒棱,刃口可采用斜面或倒圆及负前角,尽可能大的余偏角。建议取值范围为:(15b ~25b )@0.25mm 的T 型倒棱,再进行0101~0.03mm 的研磨。312 干式螺纹加工刀具设计要点
目前,在用丝锥攻丝时,以采用含有机氯化物抗极压的乳化液效果最好。但有机氯化物对环境污染很大。德国Emuge 螺纹刀具厂为减少环境污染,研制开发了&O KO 丝锥,即生态有利丝锥,它可在较广范围的材料上攻丝而无须切削液。为了完成干式攻丝,在丝锥参数设计时必须考虑:
(1)有小的摩擦阻力,以获得尺寸准确和表面粗糙度值小的螺纹;
(2)槽型设计应使切屑易于卷曲,并自由离开螺孔;
(3)对丝锥表面进行涂层处理,以获得理想的表面状态,减小切削应力,保护丝锥。
这种丝锥的尺寸范围有两种,即M 5~M10的加强柄尺寸系列和M 12~M20的尺寸系列。
干切削加工钢件螺纹的丝锥其槽型通常为螺旋槽,加工通孔螺纹和盲孔时的螺旋角大小不同。如加工盲孔螺纹时,往往采用35b 的大螺旋角;当孔深大于2倍丝锥直径时,可采用小螺旋角,通常5b ,此时丝锥切削锥部长度为C/2~3牙。而干切削加工铸铁螺纹时,无论是通孔还是盲孔,丝锥槽型均为直槽,其切削锥部长度为C/2~3牙。对于小直径丝锥,为了提高强度和刚度,其槽型也可设计成特殊形状,如无槽挤压丝锥。无槽挤压丝锥用于加工小直径螺纹或塑性较大材料上的螺纹是非常有效的。干切削加工丝锥通常均需进行涂层处理,常用的涂层有TiN 或TiCN 。
图3a 是用无槽挤压丝锥干式挤压螺纹与有切削
液挤压螺纹的加工螺纹孔数量比较。由图可以看出,
普通挤压丝锥加工100个螺纹孔时,切削部分的螺纹牙型就产生粘结现象,与此相比,干式挤压丝锥寿命可提高80倍。图3b 则是湿式攻丝与干式攻丝所加工的螺纹孔数比较。由于受到试验试件数量的限制,仅作了有限次试验,但其结果反映了干式攻丝的可能性。
(a) (b)
加工条件:M 6@1)G7P 试验条件: 通孔螺纹M 5@018丝锥工件材料:锌钢板,
工件材料:纯铝Ly-2 螺纹长度312mm 螺纹孔形状:盲孔,底孔直径:Á5155mm,
螺纹长11mm
切削速度:15m/min
底孔直径:412mm(切削), 415mm(挤压)切削速度:15m/min(切削), 10m/min(挤压)机床:AG )32
图3 干式与湿式加工比较
除此之外,笔者对在A3、45钢等薄板件(厚2mm 以下)上加工螺纹的工艺进行了探讨,采用了新型底孔成孔工艺,并成功地应用了干式切削及挤压螺纹工艺,采用专门设计和制造的底孔成型刀具和涂层挤压丝锥可使底孔和螺纹的加工同时完成,避免了原有工艺需要焊接螺母或设计制造专用模具冲孔的麻烦,解决了长期困扰汽车、钣金等行业的薄板件螺纹加工工艺,并有优异的加工效果。
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21#1999年第8期