干式切削加工关键技术及应用

1、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：Asthedriveoftheecologicalandeconomicbenefits,greenmanufacturingtechnologyhasbeenputoutbythemajorityofscholars.Inter

2、msofthetraditionalmanufacturing,themethodofdrycuttingisoneofthemostfeasibleapplication.Inordertoachievethedrycutting,therearestillmanyproblemstobesolved,mainlyaboutthetools,machinetoolsandcuttingparameters.Inordertomakearightchoice,youhadbetterthinkallofthosefactors.Drycuttingmachiningisatrendinthed

3、evelopmentofmanufacturinginourcountry.Keywords:DrycuttingTechnologyMaterialCoatingSignificance随着环境意识在全球范围内的增强以及环保法规的要求越来越严格，传统加工方式中所用的切削液对环境的负面作用也越来越明显。与此同时，对环境无污染的绿色制造被越来越多的国家和企业所认可，被称为是可持续发展的现代制造业模式。干式切削加工由于不使用冷却液，可获得洁净、无污染的切屑，省去了大量处理费用，为用户降低了不少成本。在这样的历史背景下，干式切削技术就产生了，并从上世纪九十年代中期以来迅速发展，是先进制造技术的一个比

4、较前沿性的研究课题。一、干式切削的定义据统计,造成全球环境污染的70%以上排放物来自制造业,它们每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。干式切削作为一种新型的制造模式,适应了时代的发展要求，是现代制造业未来的发展方向。干式切削是为保护环境、降低成本而有意识地不使用切削液，在无冷液条件下进行切削加工的切削加工的方法。干式切削由于没有切削液，它的实现就需要用性能优良的切削刀具、先进的机床以及辅助设施替代传统切削液的作用。只有这样才能在不使用切削液的情况下，同时保证被加工件的精度及其他方面的要求，同时保证产品的加工效率。干式切削加工在传统的机械加工方法中，采用了无液切削模式，减少了对环境的污染、

5、节约了大量资源，是绿色制造理念在传统机械加工领域中的一种具体可实践的应用。现代干式切削技术，就是要研究、寻找不使用（或少使用）切削液，能起到降温、润滑、排屑三个作用，改善切削条件、满足加工要求的方法。目前，国际上流行的不使用切削液的切削方法主要有：完全不使用切削液的一一全干式切削（高速干式切削法）;用气体混合微量润滑剂代替切削液的半干式切削（低温冷风切削法）。干式切削加工通过先进的刀具、现代的机床和合理的工艺相配合，具有许多优越于传统机械加工的特点：（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

6、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二，干式切削技术研究的现状干式切削1技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际生产工程研究会（CIRP）年会上，德国Aachen工业大学的F.Klocke教授作了“干切削”的主题报告;1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B.P.Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告，干切削技术已经在各国工业界和学术

7、界引起广泛的关注。目前包括欧洲、美国和日本等工业发达国家，非常重视干切削的研究，干切削技术已经成功应用到了生产领域，这与这些国家的工业基础雄厚和环保法规特别严格有一定的关系。其中德国企业尤为普遍，在大批量生产中，已有10%-15%的加工采用干切削技术，并且取得了良好的经济效益，世界许多知名的机床厂商在他们的产品目录中都有干切削机床加工中心。日本在干切削方面也进行了大量研究，最近他们已开发成功几种不使用切削液的干式加工中心。在其中的一种机床上，装有液氮冷却的干切削系统，从空气中提取高纯度氮气。在常温下以5-6个大气压的压力将液氮送往切削区，可顺利实现干切削。我国干切削技术的研究也已起步。成都工具

8、研究所、山东工业大学和清华大学等单位对超硬刀具材料（如陶瓷、立方氮化硼、金刚石等）及刀具涂层技术进行过系统的研究，并取得了不少的研究成果。我国陶瓷刀具目前已形成了一定的生产能力，这些都为干切削技术的研究与应用提供了初步的技术基础。北京机床研究所开发成功的KT系列加工中心能实现高速干切削。但总的来说，我国在干切削理论研究方面和国外还存在较大的差距，在工业中的应用规模更小，有待于我们今后加快研究与推广应用。三、干式切削技术面临的主要问题及解决方法干式切削的工艺方法从原理上讲并不新鲜,且已在生产中有较长时间的应用,比如铸铁的加工就不使用切削液。现代制造中的干式切削不仅仅局限于铸铁材料的加工,而是力图

9、在所有材料加工及所有加工方法中均不使用切削液。干式切削技术并不是简单地取消切削液就能实现,由于在干式切削过程中缺少了切削液的冷却、润滑和排屑作用,会导致刀具与工件间的摩擦增大、切削温度升高、粘连加剧和切屑堵塞,从而造成刀具寿命缩短、加工精度和切削效率的下降。为克服由于缺少切削液而造成的困难,需要通过开发和应用耐热的刀具材料及涂层,设计合适的刀具几何形状,以及通过采用适合于干式切削的机床和选择相应的切削参数等措施来解决冷却、摩擦、排屑等问题。1、干式加工刀具设计。干式切削技术刀具设计时，要考虑道具的几何形状、材料和图层之间的兼容性。就是要在没有切削液的条件下，创造与湿式切削相同的切削条件。因此,

10、对刀具提出了更高的要求。1.1刀具材料。由于干式切削时会产生强烈的摩擦和极高的温度,所以用于干式切削的刀具要具有较高的高温硬度和耐磨性。目前,用于干式切削的主要有超细颗粒硬质合金、立方氮化硼(CBN)、和聚晶金刚石(PCD)、陶瓷和金属陶瓷等刀具材料。(1)超细颗粒硬质合金硬质合金中P类硬质合金有最好的耐高温性，因此适用场合需要大前角的话，细颗粒硬质合金有很好的韧性和韧口强度。超细颗粒硬质合金是为同时提高硬度和抗弯强度而开发的合金材料，与普通硬质合金材料相比，在硬度相同时具有强度更高、在强度相同时具有硬度更高的特点。普通硬质合金的WC颗粒为16um左右，超细颗粒硬质合金的WC颗粒则仅为0.6u

11、m左右，因为WC颗粒非常微小，所以周围起粘结作用的Co成分的厚度较薄，同时，因折断起始尺寸小，使抗弯强度较高。虽然超细颗粒硬质合金在低温下显示出优异的特性，但在高温状态下容易出现塑性变形，在切削速度高的情况下使用时，有时会产生塑性变形、磨损增大等现象，应予以注意。此材料适合与干式加工，如转头、深空钻、刀片(2)立方氮化硼CBN(CubicBoronNitride)CBN主要用来加工铸铁和淬火钢。淬火硬度HRC60-65、HRC70等应共建可采CBN进行干式加工，以取代磨削来加工的工序。起源：立方氮化硼CBN(CubicBoronNitride)是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利

12、用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料，因此它与金刚石统称为超硬材料。应用：采用PCBN刀具精车淬硬钢，其工件硬度高于45HRC,效果最好。其切削速度一般为80120m/min,工件硬度越高，切削速度宜取低值，如车硬度为70HRC的工件，其切削速度宜选6080m/min。精车的切深在0.10.3mm，进给量在0.050.025mm/r，精车后的工件表面粗糙度为Ra0.30.6um,尺寸精度可达0.013mm。若能采用刚性好的标准数控车床加工，PCBN刀具的刚性好和刃口锋利，则精车后的工件表面粗糙度可达Ra0.3um，尺寸精度可达0.01mm，可达到用数控磨床加工

13、的水平。如果机床刚性好，选用的切削速度较低，则选用PCBN复合刀片可精车断续表面。精车加工余量一般为0.3mm左右，尽可能提高工件淬火前的尺寸精度和减少热变形，以保证精车时切削余量均匀，延长PCBN刀具的使用寿命。3)PCD金刚石作为一种超硬刀具材料应用于切削加工已有数百年历史。金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。由于聚晶金

14、刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。PCD刀具主要应用于以下两方面：难加工有色金属材料的加工：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而PCD刀具则可表现出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料过共晶硅铝合金（对该材料加工机理的研究已取得突破）。难加工非金属材料的加工：PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（CFRP）、人造板材等难加工非金属材料的加

15、工。如华中理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃；目前强化复合地板及其它木基板材（如MDF）的应用日趋广泛，用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷金刚石工具主要用在铜合金、铝及铝合金，钛及其合金，也可用于及耐磨的高性能材料，如纤维增强的塑料，金属复合材料，木材复合材料。PCD刀具干式加工铝合金可以达到很高的切削速度和很长的刀具寿命，采用锋利的切削韧和大正前角高效切削这些材料，是切削压力和屑瘤达到最小。（4）陶瓷和金属陶瓷陶瓷和金属陶瓷做成的道具发展很快，是耐热性、高温硬度、化学稳定性好的刀具材料。因此，也适合与干式切削加工铸铁和淬火钢。金属陶瓷是硬质合金的一种类型，它含有钛基

16、化合物，粘结剂是镍或镍钼。它在加工材料硬度超过HRC40时，热映性较差，主要适用于高精度工件和表面要求较高时。1.2涂层。涂层的作用在于在刀具与切削材料之间筑起一道屏障,以阻拦大部分切削热向刀体传导,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。现今，切削加工可以不采用切削液的原因之一是涂层，它是通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低温度冲击。因此刀具材料可通过涂层处理，实现“固体润滑”来减少摩擦和粘结，刀具吸收的热量较少，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、减少摩擦、隔热涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发

17、生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al203,进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN,但TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，

18、在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃。所以，目前生产的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高23倍。

19、1.3刀具几何形状与结构。优化刀具的几何角度和提高刀具排除切屑的能力,可在很大程度上减少热效应的影响。去热是干加工的基本功能。刀具设计师要考虑使得刚开始加工产生热的可能性要小，它们必须：切削力小和摩擦小。2、机床。在干式切削中,选定正确的机床和恰当的装备是很重要的。由于其加工速度很快,材料又常常较硬,切削温度较高,因此机床必须刚性好,功率大。同时也对机床的排屑、防尘和热特性提出较高要求。机床性能要实现干切削加工，对机性能选择同样要处理好两个问题：一是切削区热量迅速散发；另一个是切屑的快排出。这是由于干切削时在机床加工区产生的热量是较大的，这些热量如不及时使机床产生严重的热变形，这不仅会影响工件

20、的加工精度，同时还会影响机床工作的可靠性。因此干切削机床在结构和功能上有其特殊性。干切削机床具备的主要性能：2.1、机床的刚度和结构。干切削加工对机床的支承件（床身、立柱等）的动、静特性有很高的要求，这些支承件必须有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。近年来很多的机床床身材料采用了人造花岗岩。该材料的阻尼特性比铸铁高倍，而比重只有铸铁的提高机床刚度的另一措施就是改变床体结构。例如美国公司在其789高速加工中心的设计上，将立柱和底座合为一个整体，由孕育铸铁制成，使其整体刚性得以提高。为了便于排屑，干切削机床尽可能采用立式主轴、倾斜式床身，工作台上的倾斜盖板采用绝热材料制作，以利于将大量热切屑送入

21、螺旋排屑槽；此外吸气系统直接作用在工作台和夹具上，以防止堆积在机床工作台和其他支承部件上的热切屑造成的热变形。2.2、高速主轴。高速机床主轴是实现干切削加工的重要条件，目前高速主轴主要采用独立主轴和电主轴两种结构形式，电主轴是实现高速机床主运动系统“零传动”的典型结构。许多国内外的专家为实现高速加工从机床传动和结构上提出了“零传动”的设计理论“，零传动”的目的在于简化机床的传动与结构，同时还可以提高机床的动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。目前主轴转速在10000r/min20000r/min的加工中心越来越普及，转速高100000r/min250000r/min的高速主轴也正在研制开发中2.3

22、、配置循环冷气系统。一个内置的循环冷气系统可以提高机床工艺系统的热稳定性。在加工区某些关键部位应设置温度传感器，用以监控机床温度场的变化情况，必要时可通过数控系统进行精确到微米级的误差补偿；采用过滤系统可将干切削过程中产生的尘埃颗粒及时滤掉并被抽风系统吸走。为防止灰尘进入加工区，机床的主轴部件及液压、电气系统应严加隔离。此外，还可以通过对这些部件施加微压，以防止灰尘的侵入。3、切削参数和加工方式的选择。为了在干式切削方面取得较好的效果,选择适宜的切削参数比如主轴转速、进给量和切削深度也很重要。提高机床转速实际上是缩短了产生热量的时间以及热量传入工件的时间。在切削过程中如果利用改变断屑槽的方法不

23、能充分控制切屑,增加进给量通常能得到最好的效果。通常情况下,减少切削深度既可减少刀具与热源的接触面积又可减少切削时的负载。4、干式加工的冷却和润滑干式加工是如果采用棚屋进行冷却，那么采用冷却液加工似的负面影响此时就没有了。也就意味着，刀具和工件不用长时间冷却，切削和道具之间的分割时间较短，二排泄显得比较困难。解决这些不利因素的方法，可以通过上面说说的刀具设计和涂层技术来补救。尽管这些有所改善，但有时还是不够的，还需增加使用冷却和润滑。干式加工中加入冷却或润滑也称为准干式加工。实际应用的情况.4.1低温冷风技术是一种用一10C一1009C的冷风进行冷却的方法。并混入微量的植物性润滑剂，经由尽可能

24、靠近切削点的风嘴把冷气送至切削区，从而起到降温的作用的加工工艺，冷风供给原理图如图2.lSl。图另1灣风供舘委置埠理咼FijSL1TheSchcuticofQMfindSupplyDevi-CB4.2液氮冷却是采用液氮使切削区处于低温冷却状态进行切削加工，主要有两种形式：一是用液氮受热蒸发循环间接使刀具润滑冷却；二是用液氮自身瓶装压力喷射到切削区直接润滑冷却刀具。氮气占空气的79%，氮气作为制氧工业的副产品，资源十分丰富。氮气是不燃性气体，切削加工在氮气中进行自然不会起火，这对于切削加工具有易燃性的镁合金很有意义。更重要的是氮气氛围抑制刀具的氧化磨损，可保护刀具涂层和防止切屑黏连到刀具，能提高

25、刀具的耐用度，特别是对后刀面的磨损。4.3超低温冷却是在一定压力作用下，将一180C的液氮，或一76C的C(h液体送入切削点，代替大量油剂的切削方法。在此状态下，刀具材料能够保持优良的切削性能，提高了切削效率和加工质量,并可显著降低切削区温度，减少切削烧伤。但该方法技术难度大、成本高。4.4最少量润滑(MQL)技术是指：在最佳状态下(Hp不缩短刀具使用寿命，不降低已加工表面质量)使切削液的使用量达到最少，是介于干式切削与湿式切削之间的润滑技术。其原理是将压缩空气与少量的润滑剂混合汽化后，形成毫微米级汽雾并喷射在切削区，起到冷却和润滑作用。4.5静电冷却法是这是原苏联在上世纪80年代发明的干切技

26、术，其基本原理是通过电离器将压缩空气离子化、臭氧化，然后经由喷嘴送至切削区，在切削点周围形成特殊气体氛围。这样不仅降低切削区的温度，更重要的是能在刀具切屑和刀具工件接触面上形成起润滑作用的氧化薄膜，并使被加工表面呈压缩应力。从而提高刀具寿命和改善被加工表面质量。在难加工材料(不锈钢、钛合金等)切削中，这一效果更加明显。四、干式切削的应用1、铸铁与钢件的干铣削加工美国LeblondMakino公司研发的“红月牙”(RedCrescent)铸铁干切削技术就是利用陶瓷或CBN刀具进行高速铳削加工。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，使该处的工件材料达到红热状态，其屈服强度下降，可

27、大大提高切削效率。通常铸铁的金属切除率为16cm3/min，而采用红月牙干切削加工可使其提高至U149cm3/min铝合金的干铣削加工美国Turchan公司研制了一种用于铝合金开口零件平面铳削的机床，并配有获得专利的真空系统，排屑非常流畅。美国BigThree公司安装了八台高速(15000rpm)金刚石干切削加工系统，用以加工变速箱上的铝通道盘，加工精度为0.05mm，每小时加工600件，与以前的磨削加工方法相比每年可节约经费达3百万美元。3、干钻削加工钻削加工时，钻头处于半封闭空间中，钻削产生的热量也聚集在这里，同时切屑也必须从孔中排出，因此，干钻削就显得更为困难。德国Guhring公司开发

28、了一种新型M-涂层，即在硬涂层外面再加涂一层软涂层，利用该钻头对发动机中的铝制零件进行了高速干钻削加工研究，取得了显著的经济效益。日本Syun-ichiYamagata研究开发了钢材的干式挤压丝锥，与普通的湿式挤压丝锥相比，可显著提高丝锥寿命。4、干式齿轮加工日本的三菱公司、美国的格里森公司在齿轮干切削方面做了大量的工作。三菱公司推出了世界上第一套干滚切系统，其切削速度是传统滚切速度的2倍，达到200m/min。格里森公司用硬质合金滚刀在Phoenix机床上用干切削法加工锥齿轮，滚切速度可达3000r/min，降低切削时间50%，加工精度可达AGM1213级。五、发展干式切削技术的重要意义追求生态效益和经济效益是推动干式切削技术发展的主要动力,在市场竞争日趋激烈,环境保护意识普遍提高的今天,开发和推行干式切削技术已成为现代制造业的一项迫切任务。在过去,人们更多地把保护环境的重点放在了污染物的“末端”控制和处理上,而忽略了对污染物的全过程控制和预防。越来越多的事实表明,在制造全过程的各个环节都有产生环境问题的可能性,如果从制造的准备阶段就开始对制造的全过程以及