硬态、干式、准干式切削方式简介

硬态、干式、准干式切削方式简介刘红良（浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州310014）摘要：硬态切削是指采用陶瓷或超硬CBN刀具对硬度大于50HRC的淬硬钢进行精密切削的加工工艺。

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。

在有些场合要实现不用切削液的完全干式切削仍是困难的。

因此，完全干式切削工艺的应用范围有一定限制，这时可采用最小量润滑的准干式切削方式或低温冷风切削。

本文简述了硬态切削、干式切削、准干式切削的原理，适用范围，联系、区别。

关键词：硬态切削；干式切削；准干式切削；切削液The brief introduction of Hard Cutting、 Dry Cutting and Near-dry CuttingLIU Hongliang (Zhejiang University of Technology College of Mechanical Engineering Zhejiang Hangzhou 310014)Abstract:The hard cutting means finishing bearing steel harder than 50HRC with super hard cutting tools such as ceramics、CBN. Dry Cutting is the most effective way to eliminate the pollution of the cutting fluid、 reduce product cost and implement the cleaner production. But On some occasions, it is difficult to implement the hard cutting completely without using cutting fluid.So the application scope of the hard cutting has certain restrictions and it is the time to use Near-dry Cutting or Cooling gas cutting. This paper briefly describes the principles 、application、connection and differencesof the hard state cutting, dry cutting, dry cutting.Key word:hard cutting；dry Cutting；near-dry cutting；cutting fluid引言硬态切削是指采用陶瓷或超硬CBN刀具对硬度大于50HRC的淬硬钢进行精密切削的加工工艺 [1]。

随着超硬刀具材料性能的完善及价格的调整、数控车床等加工设备精度的不断提高，用硬态切削代替磨削完成淬硬零件的精加工，已成为金属切削加工发展的趋势之。

干式和半干式切削是指在切削过程中不使用或使用微量润滑液的切削工艺，通常介于干切削与湿切削之间微量润滑、低温微量润滑和水蒸气冷却等都属于准干式切削。

1.硬态切削淬硬钢是一类较难加工的材料，硬度通常高达50-65HRC，主要包括普通淬火钢、淬火模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢等。

由于其典型的耐磨特点，淬硬钢被广泛用于制造各种要求高硬度和高耐磨性的基础零部件。

随着陶瓷刀具，特别是超硬刀具CBN性能的不断提高和稳定，解决了淬硬零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾，使得更经济地切削加工淬硬钢成为可能[2]。

1.1 硬态切削优点硬态切削是指采用陶瓷或超硬CBN刀具对硬度大于50HRC的淬硬钢进行精密切削的加工工艺。

与磨削相比，硬态切削具有良好的加工柔性、经济性和环保性能。

然而，目前硬态切削加工技术仍然未完全被企业所广泛采用，其主要原因不仅由于企业对硬态切削加工机理及刀具的使用技术未完全理解和掌握，同时也因为硬态切削工艺中一些不稳定的因素制约了它的推广和应用。

与磨削加工相比，硬态切削的优点：①加工效率高、经济效益好。

首先，去除相同体积的金属时，硬态切削常常可以采用较大的切削深度和较高的主轴转速；而磨削则只能采用小切深，否则容易引起磨削烧伤，或因径向分力大而引起变形。

因此，硬态切削的金属去除率为磨削的3-4倍，能耗仅为磨削的115.另外，在硬态车削时，一次装夹可完成多表面的加工（如外圆、内孔、端面、台阶、沟槽等），而磨削则不易实现。

硬态切削经济效益好还体现在设备投入上，在加工效率相同的情况下，车床投资仅为磨床的1/3-1/2，且占地面积小，辅助系统费用低[3]。

②清洁的加工工艺。

硬态切削所用的刀具，基本可不使用切削液，节省了相关的切削液供给装置和处理装置，大大节省了投资费用。

另外，一般切削液中大多含有毒和有害物质，会对环境造成污染，也危害操作者的健康。

③良好的整体加工质量。

以硬态车削为例，工件安装次数的减少，可使工件各几何要素获得较高的位置精度，工件表面也不会引起烧伤或微裂纹。

1.2 硬态切削的关键技术实施硬态切削工艺时，切削力大、切削温度高、刀具使用寿命短，这就要求作为硬态切削的刀具耐热性和耐磨性应更好，机床工艺系统也要有足够的刚度。

硬态切削的关键技术表现在以下几个方面：1.刀具材料与几何参数。

CBN具有很高的硬度和耐磨性，适合加工硬度大于HRC55的淬硬钢工件，是目前最理想的硬态切削刀具材料。

陶瓷刀具材料的成本低于CBN，且具有良好的化学热稳定性，但硬度和耐磨性不如CBN，对于硬度小于HRC50的淬硬钢工件选用陶瓷刀具较为合适。

我国陶瓷刀具技术已较完善，刀片性能也较稳定、可靠。

对于硬度为HRC40-50的淬硬钢工件，也可选择抗弯强度和冲击韧性更高的高性能硬质合金及涂层硬质合金刀具材料。

刀片形状及刀具几何参数的选择合理与否，对充分发挥刀具的切削性能至关重要。

对于各种材料的刀片来说，均应选择强度高、散热条件好的刀片形状和尽可能大的刀尖圆弧半径。

刀具几何参数的主要特点是选择较大的负前角或预磨出负倒棱，以提高刀具的抗冲击能力[4]。

2.切削用量与切削条件。

切削用量选择得合理与否，对硬态切削效果影响很大。

由于CBN和陶瓷刀具材料的耐热性和耐磨性好，可选用较高的切削速度和较大的切削深度及较小的进给量；而硬质合金刀具则不宜选用较高的切削速度和切削深度。

一般情况下硬态切削不使用切削液，但有时对工件的加工精度和表面质量及刀具寿命有特殊要求时，也可使用水基切削液并采用连续、均匀的冷却方式，避免刀片产生微裂纹。

3.对己加工表面完整性的深入研究。

由于切削加工过程中切削热的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工表面造成一定程度的破坏，所以，用硬态切削取代磨削加工，需对工件的表面性能进行长期和深入的研究。

硬态切削己加工表面的完整性主要包括：表层组织形态及硬度、表面粗糙度、残余应力的性质与分布、白层的状况等。

4.硬态切削机床。

以车削加工为例，淬硬钢的硬态车削与非淬硬钢车削相比，切削力增加30%-100%，切削所需功率增加1.5^-2倍。

所以，硬态切削对机床提出了更高的要求，主要是高刚度和大功率。

此外，机床本身的主轴系统还应具有高转速，以保证充分发挥CBN 或陶瓷刀具的性能优势。

为防止主轴高转速引起的振动，包括夹具在内的整个主轴系统必须经过良好的平衡，主轴的径向跳动和端面跳动都不得大于3级。

机床导轨的精度要高，丝杠反向间隙要小，特别是不能有爬行现象发生。

机床良好的热稳定性，对保证连续生产的加工精度也非常重要。

2.干式切削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[5]。

2.1干式切削特点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[6]。

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。

2.2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与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。

近年来开发成功的纳米涂层技术，将数百层具有软、硬不同特性的涂层复合叠加，既使刀具的硬度和韧性显著增加，又使其具有优异的抗摩擦、抗磨损和自润滑性能，非常适合干式切削[7]。

2.3干式切削加工对刀具结构的要求干式切削时，刀尖和刃口承受的热负荷大大增加，容易产生各种刃口损伤，最终导致刀具失效。

为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具设计尽可能使加工产生的切削力和摩擦力要小，排屑效果要好。

因此，干式切削要求必须对刀具结构和几何参数进行优化设计，如把刀具设计为负前角或使前刀面凸起，可显著延缓月牙洼对刀刃的损害；增大负刃倾角，改善刀刃及刀尖的切入状态，以提高刀具的抗冲击和抗热震能力等。

欧洲的一些刀具制造商已开发出许多有利于干式切削几何形状的刀具，可供用户选用。

例如，瑞典山高(SECO)公司设计的具有ME型断屑槽的八角形铣刀片，能有效控制切屑的形成和排屑，特别适用于干式铣削[8]。

3.准干式切削现状与应用在有些场合（如深孔钻削、攻丝等）要实现不用切削液的完全干式切削仍是困难的，因此，完全干式切削工艺的应用范围有一定限制，这时可采用最小量润滑（Minimum Quantity Lubrication，MQL）的准干式切削方式或低温冷风切削。