绿色高速干式切削技术的研究内容及其发展-绿色制造-先进制造技术-489

1、.：.；绿色高速干式切削技术的研讨内容及其开展_绿色制造_先进制造技术1 引言 制造业是人类社会的传统产业，它的历史可以追溯到远古时代，人们磨制石器、铜器和铁器用来捕猎。制造业为人类社会带来物质财富的同时，又给环境呵斥了严重的污染。而切削加任务为制造技术的主要根底工艺，是产生污染的重要缘由之一。 金属切削加工方法有湿式和干式切削法之分。目前采用最多的是湿式切削法(即在金属切削加工时，用一定压力和流量的液体(切削液)延续不断地冷却、光滑刀具和工件加工部件的方法)。这种方法曾经运用多年，通常在金属切削加工时运用切削液主要有3个功能：光滑作用，冷却作用，清洗和排屑作用。这些功能对工件已加工外表质量和

2、刀具耐用度具有明显的影响。随着高速切削加工技术的迅猛开展，加工过程中切削液的用量越来越大，有时高达80-1OOLmin。但大量运用切削液呵斥了许多负面影响，主要表如今以下几个方面。 (1)添加了制造本钱。据国外许多统计资料阐明，切削液及切削液的供应、保养、回收及切削废液的处置等费用加在一同，占总制造本钱的13-17，而刀具耗费的费用仅占制造本钱的2-4。 (2)呵斥了环境污染问题。切削液是金属切削加工中呵斥环境污染的一个重要根源。如乳化液不仅含有油，而且含有烧碱、油酸酯、乙醇和苯酚等有害物质。假设这些切削液未经处置直接排人外界，会对环境呵斥严重污染。 (3)直接危害操作工人的身体安康。切削液产

3、生的油烟会引起工人肺部和呼吸道的多种疾病。切削液与人体直接接触会诱发多种皮肤病1。 人类社会曾经迈入2l世纪，随着制造技术的开展和环保认识的提高，开展以绿色无污染的高速切削工艺和加工方法成为人们追求的目的。在这种背景下，取消或减少切削液和光滑剂的运用已成为金属切削工艺开展的必然趋势，于是干式切削工艺的研讨便应运而生，干式切削(Dry Cutting)的概念逐渐构成。2 高速干式切削加工技术的提出及开展 从20世纪90年代开场，国外对干式切削技术进展了大量研讨，1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际消费工程研讨会(CIRP)年会上，德国Aachen工业大学的FKlocke教授作了

4、“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BPErdel博士也作了有关美国干切削开展的主题报告2。 干式切削自1995年被正名至今，欧洲、美国和日本等工业兴隆国家非常注重它的研讨。干式切削技术曾经胜利运用到了消费领域，获得了良好的社会效益和经济效益。世界许多知名的机床厂商在他们的目录中都有干切削机床加工中心。德国在干式切削领域中处于领先位置，德国企业在大批量消费中已有10-15的加工采用干式切削，并且获得了良好的经济效益。估计到2021年以后会有20以上的企业采用干式切削技术，这预示着干式切削技术是未来切削加工开

5、展的一个方向。 在我国，干式切削技术的研讨也已起步，并获得了不少研讨成果。为了跟上国际情势，顺应世界切削技术的开展趋势，我国应加快对干式切削技术的研讨。3 高速干式切削加工的构成 干式切削是一种在加工过程中不运用切削液的加工方法。但是，在干式切削加工中，由于切削过程短少切削液的光滑、冷却、排屑等作用，相应地会出现以下问题： (1)由于短少切削液的光滑作用，干式切削加工中的切削力会大大添加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工外表质量变差，刀具磨损加快，刀具运用寿命缩短。 (2)由于短少切削液的冷却作用，干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过

6、热的高温环境会导致构成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。 (3)会由于摩擦使工件和刀具的温度升高，导致刀具磨损加快，工件产生残留应力，刀具和工件发生热变形，外表质量降低。 (4)无光滑作用，会使刀具分屑困难，切屑堵塞容屑槽，还能够损坏已加工的工件外表。 (5)对于机床本身，如不及时将热量从机床的主体构造中排出，由于不能坚持热平衡，机床的床身、立柱等构件也会因温度变化而产生细小但不容忽视的变形，影响加工精度和降低工件外表质量。 (6)切屑如不及时排除，残留切屑能够导致夹紧误差、损坏机床导轨等等。 而在工艺一样的情况下，高速切削加工存在以下优势： (1)随着切削速度的提高

7、，单位时间内的资料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积，vfap)添加，切削加工时间减少，从而可大幅度提高加工效率，降低加工本钱。 (2)在高速切削加工范围内，切削力随着切削速度的提高而减小，根据切削速度的提高幅度，切削力平均可减少30以上，有利于对刚性较差的零件和薄壁零件的切削加工。 (3)高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，可带走大量切削热。切削速度愈高，带走的热量愈多(约90以上)，传给工件的热量大幅减少，有利于减小加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。 (4)从动力学的角度，在高速切削加工过程中，切削力随切削速度的提高而降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要鼓励源。转速的提

8、高使切削系统的任务频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工外表粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工外表粗糙度。 以上的优点正好弥补干式切削的缺乏，二者结合构成高速干式切削加工，在高速干切削方面，美国Makino公司提出“红月牙(Red Crescent)干切削工艺。其机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近的工件资料到达红热形状，导致屈服强度明显下降，从而提高资料去除率。这也是目前比较胜利的干式切削方法。 因此，干式切削工艺的成败，不是简单地停顿运用切削液，关键在于找到一种替代冷却和光滑的方法，在停顿运用切削液的同时，保证高效率、高产品质量和高的刀具

9、耐用度以及切削过程的可靠性。这些需求用性能优良的干式切削刀具、机床以及辅助设备替代传统切削中切削液的作用。4 高速干式切削加工中机床和刀具的选择 针对高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削热明显增大的情况，需求重新思索权衡和合理选用相应的切削参数，以使高速干式切削加工过程的动态稳定性满足加工要求。4.1 干式切削的机床技术 用于干式切削的机床在功能和构造设计上必需思索切削热的分发和排屑两大问题。干式切削时在切削区域产生的大量切削热假设不及时排除，就会使机床受热较大且不均匀，其热变形将成为影响工件加工精度的一个重要要素。因此，机床应配置循环冷却系统，带走切削热量，并在构造上有良好的隔热

10、措施。经研讨阐明，干式切削的理想条件应是在高速切削条件下进展，以减少传到刀具、工件和机床上的切削热量。干式切削应与高速数控机床相联络。当今，切削加工已朝着高速、超高速方向开展。高速切削机床技术的开展给干式切削的实现发明了良好的条件。对于精细切削机床，可在机床上装上监控系统，以检测切削区域的温度变化、切削力的变化以及刀具的磨损，并配以机床补偿安装。 为了便于排屑，干式切削机床在构造上应尽能够采用立式主轴和倾斜式床身，便于将大量热切屑排出，机床上应配有自动排屑安装。因此，干切削机床在构造和功能上有其特殊性3。4.2 干切削刀具资料 干切削不仅要求刀具资料具有极高的红硬性、耐磨性和热韧性，而且还必需

11、有良好的耐热性、耐热冲击和抗粘结性；切屑与刀具之间的摩擦系数应尽能够小；刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热；刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。 目前用于干切削的刀具主要有： 陶瓷(Al2O3，Si3N4)和金属陶瓷(Cermets)资料刀具，其硬度在高温下变化不大，具有很好的红硬性，因此很适宜于普通目的干加工而无须冷却液。但是这类资料普通较脆，即热韧性不好，故不适用于断续切削，较适用于进展干车削而不适用于干铣削。而氮化硅(Si3N4)特别适宜于在断续切削和铸铁有砂皮情况下对铸铁和球墨铸铁进展干切削。 立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、聚晶金刚石(PCD)、超细晶粒硬质合金等各具

12、特点的超硬刀具资料也广泛运用于干切削。 聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具有高硬度、高耐磨性，高的化学稳定性、良好的导热性和热稳定性以及较低的摩擦系数，是干式切削的理想刀具，可加工大部分高硬度资料如铸铁和淬火钢，在许多场所可以以车、镗、铣等替代磨削加工工艺，在高速切削灰铸铁资料时其刀具寿命可到达陶瓷刀具的2030倍；其运用寿命远远高于硬质合金，能使被加工零件获得高的精度和良好的外表质量，并大大提高消费效率。 聚晶金刚石(PCD)刀具硬度非常高(7000-8000HV)，热导率好(2100wmK)，线膨胀系数小，PCD刀具切削时能迅速将切削热从刀尖传送至刀体内部，从而减小因刀具热变形引起的加工误差，

13、防止刀具发生热损伤。PCD刀具主要用于加工铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等有色金属资料，也可用于加工耐磨性极好的高性能资料如纤维加强型塑料、金属复合资料、木材复合资料等。用PCD刀具干式切削铝合金可到达很高的切削速度和理想的刀具寿命。 超细硬质合金刀具具有很好的耐磨性和耐高温性，又具有极好的韧性和刃口强度，但并不适宜一切的加工场所。可用于制造大前角刀具如钻头、深孔钻、刀片等，用于干式铣削和钻削。 立方氮化硼(CBN)具有高硬度(3200-4000HV)、较好的热传导率(1300WmK)和良好的抗化学腐蚀性，且在12000C的高温下具有良好的热稳定性。CBN的高耐热性和高红硬性使其非常适宜用于干

14、式切削。CBN刀具主要用于加工铸铁和淬火钢。采用CBN刀具进展干式切削可实现淬硬工件(淬火硬度6070HRC)的以车代磨加工。用CBN刀具干式切削铸铁可大幅度提高切削速度，改善刀具寿命4，5。4.3 干切削刀具的涂层技术 干切削刀具涂层技术是在刀具的刀体上涂上一层或多层不同性质的资料，从而具有对刀具整体性能的加强和提高的作用。近十几年来，刀具涂层技术开展非常迅速，涂层资料种类繁多，涂层工艺也日趋成熟，涂层资料的化学稳定性好、红硬度高、绝热性好等优点而且能减少刀刃与工件外表的磨擦，起到光滑液的作用。刀具涂层技术开展迅速，涂层资料多达15种，有的刀具在刀体上的涂层多达13层。 德国柏林大学进展的采

15、用PCD涂层刀具(HC+PCD)和未涂层刀具(HW)的干车削对比实验研讨阐明，涂层刀具(HC+PCD)在车削过程的切削力、推力以及进给力都小于未涂层刀具(HW)；PCD涂层刀具的耐磨性好于未涂层刀具6。 涂层刀具可分二大类：一类是“硬涂层刀具，如TiN、TiC和Al2O3等涂层刀具。这类刀具外表硬度高，耐磨性好。其中TiC涂层刀具抗后刀面磨损的才干特别强；而TiN涂层刀具那么有较高的抗“月牙洼磨损才干。 另一类是“软涂层刀具，如MoS2、WS等涂层刀具，主要目的是添加刀具的强度和硬度、耐磨性能，减小切削力和降低切削温度。它适于一些不适宜采用硬涂层刀具加工的领域，如航空航天工业中的一些高强度硬质

16、合金、钛合金等，采用软资料涂层刀具可获得更好的加工效果，软涂层资料可添加刀具外表的光滑性能，在切削过程中减少刀具和工件之间的摩擦，防止刀刃上产生积屑瘤，因此可提高加工外表质量，延伸刀具寿命。 例如瑞士开发的“MOVIC涂层丝锥，刀具外表涂覆有一层MoS2。切削实验阐明，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，而用MoS2涂层丝锥可加工4000个螺孔。而最近的研讨阐明金刚石涂层Si3N4刀具比未涂层Si3N4刀具的加工光洁度提高一级，运用寿命提高10倍以上。TiAlN是干切削常用的涂层资料，当它与MoS2为基的“MOVIC软涂层结合起来可获得更好的效果。对热处置

17、钢钻孔的实验结果阐明，TLMN+MOVIC涂层刀具比TiN涂层刀具运用寿命提高了4倍，比TiAlN涂层刀具运用寿命提高了1.66倍7。 采用软硬组合涂层，即先在刀具上涂上“硬涂层(如TiN)后再在其上涂上“软涂层(如ioS2)，采用这种组合涂层的钻头在钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔时，刀具寿命高达1600min，而硬涂层钻头，如TiN和TiCN涂层的钻头寿命只需19.6min和44min。另一种很有出路的涂层新工艺叫等离子注入，它是用“射入金属离子的方法有效地构成点阵构造，并可深化刀具基体内部，这种方法能提高刀具硬度但不会改动其尺寸，这一点对精细刀具的干式切削尤为重要。4.4 干切削刀具的几何参

18、数 在干式切削加工中，刀具几何外形优化非常重要，要选择适宜于干式切削加工要求的刀具几何外形。其规范刀具不宜采用干式切削，为此，干式切削加工应选择优化的刀具几何外形，减少刀具与工件间的接触面积，减少加工中刀具与切屑间的摩擦，提高刀具外表的光滑性，防止积屑瘤的产生。 采用干切削还应根据不同的加工条件思索优化刀具的几何参数。刀具的几何参数和构造设计必需满足干切削对断屑和排屑的要求。众所周知，断屑槽在韧性资料加工中对断屑起着很关键的作用。可针对不同的工件资料和切削用量，设计相应的断屑槽构造与尺寸，提高切削工程中切屑折断才干和对切屑流动方向的控制才干。而在封锁空间进展干切削(如干钻削、干铰削、干攻丝等)

19、时，那么应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。 例如，德国的WZL(WerkzeugmaschinenlaborRWTH Aachen)实验得出，在用硬质合金钻头(HC-P+涂层TiN)干钻削回火钢CK45K(AlSil045)，孔深h=30mm，孔径d=11.8mm，进给速度vc=80mmin，每次进给量f=0.2mm时，规范钻头只能钻削约400个孔，而经过优化加宽钻头排屑槽的钻头可钻削高达2200个孔，优势明显8。5 高速干式切削法的特点 高速干式切削法的特点有如下几点：首先，由于它省去了油屑分别过程，无冷却光滑油箱和油屑分别安装以及相应的电气设备，因此，机床构造非常紧凑。例如，格里森的Ph

20、oenix干式切削机床比湿式切削机床减少占地面积30。其次，这种方法极大地改善了加工环境。另外，加工费用也大大降低。这是由于它省去了冷却光滑油剂的配制和回收费用，省去了工件的清洗费用和油屑分别费用。这种方法可以降低本钱的更主要缘由是：由于机床的速率提高，预备时间相对减少，有效时间相对添加，切削效率也就大大提高了9。 例如，通常车削铸铁时的金属切除率为16cmmin，min，而美国某公司利用陶瓷刀具或立方氮化硼刀具进展高速干式车削可提高到149cmmin；普通湿式挤压丝锥加工冷轧钢板上M40.7的通孔螺纹达7000个孔时即产生磨损和粘结，无法继续加工，而日本某研讨所采用的干式挤压丝锥可加工螺孔达

21、50000个以上；日本三菱公司采用涂层高速钢干式齿轮滚刀滚切齿轮时切削速度可达200mmin，是传统滚切速度的2倍；美国格里森公司用硬质合金滚刀干切锥齿轮与传统高速钢刀具湿式滚切相比可减少切削时间50，且加工质量也有明显提高；德国格林公司采用的钛基硬质合金钻头干式钻孔切削速度高于200mmin，一样资料的铰刀干式铰孔所得工件外表比刃口锋利的未涂层细晶粒硬质合金铰刀铰出的外表更光洁，且刀具寿命更长。6 结语 干切削技术是一项系统工程，涉及刀具、机床、工艺、资料和消费管理诸多方面的改革和创新。干式加工与湿式加工相比，不但提高了消费效率，降低了消费本钱，而且有利于维护环境，节约资源，是一种理想的、清

22、洁的金属切削加工方法。干切削作为一种新的切削工艺与高速切削是相辅相成的。干切削是把切削刀具、加工中心构造参数和加工战略等要素综合于一体的加工新工艺。针对不同的切削条件和切削资料应充分权衡以上三要素在可节约的加工本钱和可得到的加工效果间的利弊，然后制定正确的加工方案。二十一世纪的制造业对绿色环保的要求越来越高，干切削技术作为一种绿色制造工艺对于节省资源、维护环境和降低本钱具有重要意义。随着机床技术和各种超硬耐高温刀具资料及其涂层技术的迅猛开展以及相关工艺研讨的深化，为干切削技术的开展发明了极为有利的条件，必将促进干切削技术的迅猛开展。参考文献1孙奎洲干式切削中刀具选用实验机床与液压，2007(1

23、)：1001022吴克忠，陈永洁，朱丹丹干式切削及其刀具技术硬质合金，2005(3)：47503邓定瀛，陈世平干式切削加工技术的现状与未来机械设计与制造工程，2002(4)：30314张报山等绿色切削及其刀具技术研讨机械制造与研讨，2006(5)：69715张书桥干式切削加工技术及其运用工具技术，2002(2)：29326唐振宇，李锻能，马平干切削机床与刀具技术机床与液压，2003(2)：2542567胡世军干式切削加工中刀具的选择机械设计与制造，2003(6)：1011028 F KlockeG Eisenblatter RWTH AachenDry cuttingAnnals of the

24、 CIRP，1997，46(2)9赵正书干式切削一种理想的金属切削方法机械制造，2001(5)：27291 引言 制造业是人类社会的传统产业，它的历史可以追溯到远古时代，人们磨制石器、铜器和铁器用来捕猎。制造业为人类社会带来物质财富的同时，又给环境呵斥了严重的污染。而切削加任务为制造技术的主要根底工艺，是产生污染的重要缘由之一。 金属切削加工方法有湿式和干式切削法之分。目前采用最多的是湿式切削法(即在金属切削加工时，用一定压力和流量的液体(切削液)延续不断地冷却、光滑刀具和工件加工部件的方法)。这种方法曾经运用多年，通常在金属切削加工时运用切削液主要有3个功能：光滑作用，冷却作用，清洗和排屑作

25、用。这些功能对工件已加工外表质量和刀具耐用度具有明显的影响。随着高速切削加工技术的迅猛开展，加工过程中切削液的用量越来越大，有时高达80-1OOLmin。但大量运用切削液呵斥了许多负面影响，主要表如今以下几个方面。 (1)添加了制造本钱。据国外许多统计资料阐明，切削液及切削液的供应、保养、回收及切削废液的处置等费用加在一同，占总制造本钱的13-17，而刀具耗费的费用仅占制造本钱的2-4。 (2)呵斥了环境污染问题。切削液是金属切削加工中呵斥环境污染的一个重要根源。如乳化液不仅含有油，而且含有烧碱、油酸酯、乙醇和苯酚等有害物质。假设这些切削液未经处置直接排人外界，会对环境呵斥严重污染。 (3)直

26、接危害操作工人的身体安康。切削液产生的油烟会引起工人肺部和呼吸道的多种疾病。切削液与人体直接接触会诱发多种皮肤病1。 人类社会曾经迈入2l世纪，随着制造技术的开展和环保认识的提高，开展以绿色无污染的高速切削工艺和加工方法成为人们追求的目的。在这种背景下，取消或减少切削液和光滑剂的运用已成为金属切削工艺开展的必然趋势，于是干式切削工艺的研讨便应运而生，干式切削(Dry Cutting)的概念逐渐构成。2 高速干式切削加工技术的提出及开展 从20世纪90年代开场，国外对干式切削技术进展了大量研讨，1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际消费工程研讨会(CIRP)年会上，德国Aache

27、n工业大学的FKlocke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BPErdel博士也作了有关美国干切削开展的主题报告2。 干式切削自1995年被正名至今，欧洲、美国和日本等工业兴隆国家非常注重它的研讨。干式切削技术曾经胜利运用到了消费领域，获得了良好的社会效益和经济效益。世界许多知名的机床厂商在他们的目录中都有干切削机床加工中心。德国在干式切削领域中处于领先位置，德国企业在大批量消费中已有10-15的加工采用干式切削，并且获得了良好的经济效益。估计到2021年以后会有20以上的企业采用干式切削技术，这

28、预示着干式切削技术是未来切削加工开展的一个方向。 在我国，干式切削技术的研讨也已起步，并获得了不少研讨成果。为了跟上国际情势，顺应世界切削技术的开展趋势，我国应加快对干式切削技术的研讨。3 高速干式切削加工的构成 干式切削是一种在加工过程中不运用切削液的加工方法。但是，在干式切削加工中，由于切削过程短少切削液的光滑、冷却、排屑等作用，相应地会出现以下问题： (1)由于短少切削液的光滑作用，干式切削加工中的切削力会大大添加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工外表质量变差，刀具磨损加快，刀具运用寿命缩短。 (2)由于短少切削液的冷却作用，干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环境会导致构成带状和缠结