第二章 干切削加工工艺技术

3、采用热稳定性好的结构和材料： 要完全消除切削热对机床的影响,不仅难于实现而且也不经 济。采用热稳定性好的结构和材料，则可以将切削热的影响降到 最低程度。采用均衡温度的结构。热变形影响加工精度的原因不 仅仅是温升，更重要的是温度不均的影响。可采取的措施有很多， 比较成功的有：在床身的左右两侧以及顶部与底部设计四个相通 的型腔，并注入油液，从而使床身顶部与底部、左侧与右侧都具 有相同的温度；或将金属管嵌入床身内对称分布的四个型腔的粘 滞材料中，并使控制温度的切削液循环通过这些金属管，不仅可 均衡温度，还可增加阻尼、衰减振动。
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。
二、产品生产成本增加
随着切削用量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因 而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。据国外许多统计 资料表明，切削液及切削液的供给、保养、回收及切削废液的处 理等费用加在一起，占总制造成本的 10--20%，而刀具消耗的费 用仅占制造成本的 5--10%，应引起人们的高度重视。
1、选择新型的刀具材料 在金属切削加工过程中，由于切削区域金属材料的弹性变 形和塑性变形，刀具切削部位要承受巨大的压应力。同时，刀 具、工件、切屑三者间接触面上产生剧烈的摩擦，导致切削区 域产生极高的温度，刀具切削刃又要承受巨大的热应力。而且， 这样的压应力和热应力在切削加工过程中受很多因素的影响具 有不稳定性和可变性。
三、危害工人的身体健康
1、切削液使用时产生的油雾及气味会对人体呼吸器官造成危 害：
油基切削液在高速或重载切削条件下产生化学反应，释放刺 激性的有害气体和油雾，燃点和黏度越低，烟雾就越大，污染越 重。 2、切削液中的添加剂具有毒性。
普通水基液含有数十种化学成分，在使用中遇高温形成的新化合 物对人体危害较大。如防锈剂亚硝酸钠，长期接触有可能致癌。
3、对皮Baidu Nhomakorabea的危害。
极性添加剂氯化合物润滑性能好，但刺激皮肤和眼睛；甲醛 类化合物会使眼睛流泪，且能致癌。矿物油、表面活性剂、防腐 杀菌剂，均会使皮肤干燥、裂口、红肿而发生皮炎。
注：ppm是体积浓度单位，一百万体积中所含污染物的体积 数。
第三节 干切削加工工艺技术
一、干切削中的冷却技术
干切削就是在金属切削加工过程中不使用切削液，利用特定 的刀具及相关的加工技术，获得所需加工效果的一种加工方法。 干切削加工过程中不使用切削液不是说不冷却，而是采用其他的 冷却方法。常规金属切削加工中使用切削液，其主要作用有冷却、 润滑、清洗、排屑等。为解决使用切削液的副作用，可采用干式 切削方式，既采用冷风喷气冷却方式，它所使用的冷却气体（如 液态氮，温度可达 –45°C）， 通过相关的冷却装置可直接喷射 到切削区域，以达到冷却目的。必要时可采用( 最小润滑) 技术， 即使用少量切削液达到降低切削温度和润滑的目的。
(3)不发生污染环境和与切削液有关的安全及质量事故。
(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。高速加工中主轴高速旋 转产生的离心力使切削液难于进入切削区域,加工时在切削区产 生极高的温度,又使切削液在进入切削区之前已经气化,起不到冷 却作用,因而对刀具寿命延长几乎没有帮助。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。
⑶ 采用软硬相结合涂层技术： 即先在刀具表面上涂( 硬 ) 材 料，后 在 其 上 涂( 软 ) 材 料。实验表明，采用这种结合涂技术 的钻头在加工发动机箱体深孔时，刀具寿命有显著提高，可达 60倍以上。 三、合理地设计机床结构： 在设计机床结构时，通常没有对干切削或湿切削机床进行区 分。对于干切削机床，由于没有切削液的冷却和排屑作用，大量 炽热的切屑堆积在切削区，不仅破坏了切削过程,而且致使机床 温升和热变形加剧，从而降低加工质量和生产率。因此，干切削 机床的结构设计应着重考虑快速排除切削热；尽量减少排屑过程 中切削热的影响；消除或减少切屑尘埃对环境的影响。
第二节 传统切削加工的环保问题
一、 切削液造成环境污染 在传统的切削加工中，切削液的作用是冷却、润滑、防锈和 清洗。切削液分为油基和水基两种，均含有多种化学成分。切削 液对环境的危害主要是对水资源的污染。矿物油是切削液的主要 成分，其生物降解性差，会长期滞留在水和土壤中。美国环保局 指出，油对水生物有急性致死毒性，也有长期亚急性致死毒性， 即不会导致生物死亡，但可破坏其正常的生态。水中含油量超过 10ppm就会使海洋植物死亡，含300ppm 可使淡水鱼死亡。既使 排放的废液经过严格的矿物油回收处理，其在水中的长期积累也 不容忽视。切削液的添加剂对环境的污染也是多方面的，如常用 作极压添加剂的短链氯化石蜡是海水污染物之一。在水基切削液 中常用磷酸钠作防锈剂，研究证明，磷酸盐类化合物的直接排放 会使河流、湖泊和海洋因富营养化而出现蓝藻和赤潮。此外，切 削液或多或少会存留在切屑上，大量堆积的切屑会污染土壤，切 屑再生利用时切削液的有毒有害成分也会污染环境。
第二章 干切削加工工艺技术
第一节 概述：
一、干切削的概念： 干切削即在加工过程中不用任何切削液或少量润滑剂的工艺方 法。 二、干切削的特点： 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,并具有以下特点: (1)形成的切屑干净清洁无污染,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 了生产及处理程序,节约了生产成本。
二、刀具选择：
在金属切削加工过程中， 特别是切削塑性材料时，将被切 金属层变为切屑的过程中，需要克服材料的弹性变形和塑性变 形，消耗大量的功率，产生大量的切削热。同时，被切金属与 刀具前、后刀面的剧烈摩擦，切削区域的温度是非常高的，刀 尖处应力非常大。 干切削时，因为不使用切削液，所以刀具能 否承受切削时巨大的切削热和应力，是干切削过程顺利进行的 主要问题。因此，对刀具材料和刀具制造工艺提出了更高的要 求。
1、采用便于快速排屑的布局与结构：
干切削机床需要解决的问题就是在切屑的热量传到机床之前， 尽快将切削排除掉，使切屑远离切削区和机床。
2、采取适当的隔热措施：
采取适当的隔热措施，可以减少排屑过程中切屑传递给机床 部件的热量。如对于铸铁床身，采用保护罩来保护陡峭的倾斜壁， 防止切屑与床身之间的直接接触；排屑槽用绝热材料制造；刀具 和工件的安装处用绝热罩来隔离切屑等。