干式切削

　　产生背景

　　首先，要了解切削液在传统切削过程中的作用。切削液通常是大多数机加工中不可缺少的生产要素之一，对保证加工精度、提高表面质量和生产效率具有重要作用。随着全球环境意识的增强以及环保法规的要求越来越严格，切削液对环境的负面作用也越来越明显。据统计，二十年前，切削液的费用不到工件成本的3%左右，目前，在高生产率的生产企业，切削液的供给、保养及回收处理费用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具费用仅占2%-5%。在与切削液有关的总费用中，有22%左右是切削液的处理费用。据估计，如果20%的切削加工采用干式切削加工，总的制造成本可降低1.6%。对环境无污染的绿色制造被认为是可持续发展的现代制造业模式。而在加工过程中不用任何切削液的干切削正是控制环境污染源头的一项绿色制造工艺，它可获得洁净、无污染的切屑，省去了切削液及其处理等大量费用，可进一步降低生产成本3。因此，未来切削加工的方向是不用或用尽量少的切削液。随着耐高温刀具材料和涂层技术的发展，使得干加工在机械制造领域变为可能。干切削(DryCutting)技术就是在这样的历史背景下应运而生，并从九十年代中期以来迅速发展起来的，其发展历史至今不过十年，是先进制造技术的一个前沿研究课题。

　　特点

　　（1）切屑干净清洁无污染，易于回收和处理
　　（2）省去了切削液传输，回收，过滤等装置及相应的费用，简化了生产系统，降低了生产成本
　　（3）省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备。机床结构紧凑，减少占地面积
　　（4）不会产生环境污染
　　（5）不会产生与切削液有关的安全事故及质量事故。

　　实施条件

　　干式切削的刀具技术

　　（1）刀具应具有优异的耐热性能(高温硬度)与耐磨性能
　　（2）尽量减小刀具与切屑间的摩擦系数
　　（3）减少对切削液排屑作用的依赖

　　干式切削的机床技术

　　切削热传出和切屑、尘埃的排出要迅速。

　　干式切削的工艺技术

　　应特别注意刀具材料与工件材料间的合理匹配。

　　采用新型的刀具材料

　　近十几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。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、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料。图1列出了几种刀具材料的硬度与温度的关系。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，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式加工。陶瓷刀具(Al203，Si3N4、金属陶瓷(Cennet)等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削而无须冷却液[1131。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于进行断续切削。也就是说，陶瓷刀具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，达HV3200~HV4000，仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好。采用CBN刀具加工铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。聚晶金刚石(PCD)刀具硬度非常高，可达HV7000~HV8000，热导率可达2100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。

　　采用涂层技术

　　对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。近十年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料多达15种，有的刀具在刀体上的涂层多达13层。涂层工艺也越来越成熟，随着技术的发展，现已解决了涂层与基体材料结合强度低的技术难题。涂层刀具分两大类：一类是“硬”涂层刀具，如TiN，TIC和Al203等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。另一类是“软”涂层刀具，如：MOS2，W S等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能有效减少切削力和降低切削温度。例如瑞士开发的“MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MOS2。切削实验表明：未涂层丝锥只能加工20个螺孔；用TiAlN涂层丝锥时可加工1000个螺孔，而MoS2涂层的丝锥可加工4000个螺孔。高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后，可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的CBN刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合金。

　　实际上 ，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。TiAlN涂层和Mo2软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。

　　刀具几何形状设计

　　干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和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，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。

　　近几年来，国外开发了许多大前角车削刀片(如美国Carboloy公司推出的一种ME-13新型硬质合金刀片上的前角达34°)和带正前角的螺旋形刀刃铣削刀片(这种刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角，背前角或侧前角可由负变正或由小变大)，旨在减少机床的驱动功率，并通过减小切削力，降低切削温度来满足干切削时对刀具的要求。

　　日本三菱金属公司开发出一种适用于干切削的“回转型车刀”，该刀具采用圆形超硬刀片，刀片的支持部分装有轴承，在加工中刀片能自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有工效高、加工质量好、刀具寿命长等特点。

　　还有一种热管式刀具也可以获得较理想的干切削效果。它们的结构与普通车刀基本相同，所不同的是在刀杆体内部制成了热管。热管内的工作介质一般为丙酮、乙醇和蒸馏水三种。热管是一种高效的传热元件，它利用的是沸腾吸热和冷凝放热这两个最强的传热机理，热管的热导率是相当的银、铜棒的几百倍。热管刀具是一种自冷却刀具，故无需再从外部浇注切削液，尤其适合于在数控机床、加工中心和自动生产线上应用。