金属切削资料复习进程

金属切削资料1.1干切削加工的产生背景第一讲干切削概述

2006年到2010年，欧盟、美国、日本和中国相继提出了本国未来20年机械行业发展规划，在这些报告中，均提到了“绿色”这一概念。可见，机械的生产、使用、回收，全寿命过程的绿色化和可持续化越来越成为机械行业的共识。也是在这样背景下，越来越多的机械科研工作者把目光投向了“绿色工程”。再制造、绿色设计、增量制造、粉末冶金成形、干切削等诸多绿色环保的技术被应用于机械行业中。现在讲的干切削技术，并非近几年提出的概念，最早是上世纪90年代由欧洲人提出的。1995年，德国联邦技术部已经启动了科研经费近17.5亿人民币、代号“生产2000”的干切削项目。那么，干切削是什么呢，又有什么特点？在普通切削加工中，我们会加注大量的切削液，这对降低切削温度、断屑、排屑起到了很好的作用，但也存在弊端，如影响工人健康、增加生产成本，当然最主要的就是环境的污染。根据几年前的一项调查，当时全球每年消耗70万—80万吨切削液，现在的数据应该比这个数大得多。这些废弃液，严重污染了水资源和环境。先来回顾一下普通切削。对于使用切削液带来的问题，解决起来有两个思路，其一是现在很多企业从事的切削液回收处理工作；其二就是在切削时不使用或少使用切削液。这也就引出了干切削的概念。1.2干切削的涵义为了更好地让人们认识干切削，美国密歇根技术大学（MichiganTechnologyUniversity）做了大量的实验。他们的实验结果表明：（1）切削液的使用会造成环境恶化，长期接触给工人造成健康问题；（2）加注切削液会在刀具表面产生冷热交替变换，使刀具产生裂纹，降低使用寿命；（3）对铝合金进行切削实验，除钻削外，干切削的表面粗糙度不比普通切削大；（4）除钻削外，对铝合金的干切削所需的切削力与力矩大小与普通切削相似；（5）干切削时，切削热会上升，镗孔钻孔时的内孔精度会下降；

前几年一位以色列的专家表示：干切削“至今仍是一个很复杂的领域，不是简单地把冷却液停掉，然后再订购一把其他刀具就行了”。因此，干切削不是简单的停止使用切削液，而是停止或尽量少使用切削液的同时，使用新技术新设备、新技术，替代切削液的功能，并保证高效率、高产品质量、高的刀具使用寿命以及切削过程的可靠性。概括起来，干切削有以下特点：（1）形成的切屑干净、清洁、无污染，易于回收处理；（2）省去了使用使用切削液有关的费用；（3）不产生环境污染及与使用切削液有关的安全与质量事故；因此干切削有很好的发展前景。1.3干切削发展现状及应用情况

德国人最早进行干切削研究，于2000年左右完成干切削加工工艺科研项目，目前已有20%的得多企业采用干切削；以色列对“在什么切削用量时进行干切削”进行了研究，提出了相应的理论；美国LBM公司使用陶瓷或CBN刀具，进行高速干切削加工，已成功开发出代号“红月牙”（RedCrescent）的铸铁干切削技术，大大提高了生产率；日本已研发出适用于干切削的新型刀具，并生产出配套的机床，尽管成本提高，但环境效益明显；另外，英国、加拿大等国也对干切削进行了大量研究；我国的合肥工业大学、哈尔滨工业大学、山东大学、重庆大学等高校在干切削的刀具材料、刀具设计、加工工艺、机床等进行了较为系统的研究，北京机床研究所也已成功开发出能实现高速干切削的系列加工中心。但我国的干切削刀具应用尚处于起步阶段，《中国机械工程技术路线图》中提出，未来干切削刀具应向着“高强度高容热和高热扩散结构技术”发展。1.4干切削加工的研究内容

干切削加工的研究内容如下：（1）干切削加工机理的研究；（2）干切削加工的刀具材料及其涂层技术研究；（3）分析干切削加工中的摩擦行为；（4）干切削加工刀具的几何参数选择与优化；（5）机床结构的研究；（6）干切削加工工艺系统的匹配研究；其中的关键技术有四个：干切削的刀具技术；干切削的机床技术；干切削的工艺技术；可靠的刀具检测装置；第二讲干切削的应用技术2.1干切削刀具的技术（1）刀具材料的力学性能应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。由于不使用切削液，干切削时的切削温度比普通湿切削高很多，刀具能否承受干切削时巨大的热能，必须要求刀具材料有高得耐热性和耐磨性。下图列出了几种不同刀具材料的硬度与温度的关系。从图中可见，陶瓷（Al2O3、Si3N4）、金属陶瓷等刀具材料的硬度在高温下很少降低，很适合一般目的的干切削，但是这类刀具材料一般较脆，热韧性不好，不适用于断续切削。刀具材料的耐磨性和断裂韧度之间往往不能兼而有之，如高速钢有较好的断裂韧度而没有好的耐磨性；又如陶瓷材料有良好的耐磨性而断裂韧度不好。目前采用新型的刀具材料CBN、PCBN、PCD、超细晶粒硬质合金等超硬刀具材料广泛应用于干切削中。

降低刀具与切屑、刀具与工件表面之间的摩擦系数，在一定程度上弥补了无切削液的润滑作用，抑制切削温度的上升。（2）刀具的摩擦系数对刀具采用涂层处理，是获得较低摩擦系数，提高刀具性能的重要途径。生产中常采用达到正常磨损VB=0.3mm时的刀具寿命。涂层分两大类：一类是硬涂层，即在表面上涂TiN、TiC、Al2O3等涂层，这类涂层刀具涂层硬度高，耐磨性好；另一类是“软”涂层，即在刀具表面上涂硫族化合物MoS2或WS等减磨涂层，这类涂层刀具也称“自润滑刀具”。与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能减少切削力和降低切削温度。无论哪种涂层，实际上都起到了类似干切削液的冷却、润滑作用，它产生一隔热层，使切削热不会或很少传入刀具。何谓“自润滑”？Al2O3涂层具有良好的力学性能，极好的热硬性和化学稳定性，热导率低（可有效阻碍切削热传到刀具的切削刃上）。Al2O3涂层主要用于硬质合金刀具表面，其涂层后的刀具兼有陶瓷刀具的耐磨性和硬质合金的强度，适用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃的场合。（3）刀具的几何参数和结构设计干切削时采用优化的刀具几何形状，可减少切削时的摩擦，有利于断屑与排屑，有利于刀具的散热，降低切削温度。采用较小的前角、刃倾角和较大的刀尖圆弧半径以及磨制负倒棱可以增大散热面积，降低切削温度。另外，断屑槽在韧性材料加工中对断屑起着很关键的作用。目前在车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量，很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。2.2干切削的机床技术设计干切削机床时考虑的两个特殊问题：一是切削热的迅速散发，另一个是切屑和灰尘的快速排出。干切削在机床加工区产生的热量较大，如不及时从机床主体结构排出，就会使机床产生热变形，从而影响工件的加工精度和机床的可靠性。对于难排出的热量，通常通过采用合理的机床结构，提高机床的热稳定性或者在相关部位采取隔热措施以及采取精确的误差补偿技术。（1）切削热的散发为了便于排屑，干切削机床应尽可能采用立式主轴、倾斜式床身。干切削机床应具有较好的吸尘、排屑装置，机床的结构应有利于排屑。干切削时的大部分切削热由切屑带走，若不及时清除切屑，切屑的热量传递给机床，会使机床产生升温，引起局部热不平衡，导致机床变形，最终影响工件的加工质量。（2）切屑的排出干切削时，应尽量采用高速、超高速机床或其他高速数控机床、加工中心，机床应有较大的功率和刚性。这类机床在加工过程中，可降低30%左右的切削力，使大量的切屑热虽切屑带走，有利于工件在切削时切削温度的降低。2.3干切削的工艺技术干切削的工艺技术涉及：工件材料实施干切削的可能性；工件材料和刀具材料的合理匹配；工艺方法；工艺参数的合理选用等问题；工件材料在很大程度上决定了干切削实施的可能性。干切削要求工件有较大的热容量和较低的热传导系数，因此大质量的零件比小零件更适宜于干切削。（1）工件材料实施干切削的可能性

由表可见，铸铁和复合材料最适合于干切削，而超硬合金和钢则较难于进行干切削。现阶段不是所有的材料都适用干切削。干切削时，切削温度高，为了防止高温下的刀具材料和工件之间的扩散和粘结，一般刀具材料的硬度应为被加工工件材料硬度的4倍以上。

如PCBN刀具加工淬硬钢、冷硬铸铁及表面热喷涂材料等高硬度材料时的刀具寿命较高，而加工中低硬度工件时，刀具寿命还不如硬质合金刀具高。

又如金刚石刀具与铁元素有很强的化学亲合力，故不适宜加工钢铁材料等工件。

钛合金和某些高温合金中有钛元素，因此也不能用含钛的涂层刀具进行钛合金的干切削。（2）工件材料和刀具材料的合理匹配举个例子，铝合金传热系数高、热膨胀系数大，在加工过程中会吸收大量的切削热，使工件发生热变形，而且铝合金硬度和熔点都较低，因此加工过程中切屑很容易与刀具发生“胶焊”或粘连，形成积屑瘤，这是铝合金干切削中遇到的最大难题。（3）干切削的工艺方法与工艺参数在高速切削中，95％一98％的切削热都传给了切屑，而且切屑在与刀具前刀面接触的界面上会被局部熔化，形成一层极薄的液态薄膜，因而切屑很容易在瞬间被切离工件，大大减少了切削力和产生积屑瘤的可能性，而且工件可以保持常温状态，既提高了生产效率，又改善了铝合金工件的加工精度和表面质量。解决这一难题的最好办法，是采用高速干切削。工艺方法、工艺参数合理选用对于干切削非常重要！下图是根据工艺方法的不同，几种比较典型的干切削方法（1）风冷干切削。又叫空气冷干切削。风冷干切削必须要有风冷却系统。下图是一风冷却系统。风冷却系统虽可进行干切削，但也存在一些尚需解决的问题，如切屑的收集问题，纯风冷却时的刀具润滑问题，纯风冷却时刀具的防锈问题和冷风噪声问题。（2）液氯冷却干切削。液氯冷却干切削是采用液氯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：一是采用液氮的自身瓶装压力喷射到切削区进行冷却，二是采用液氮受热蒸发循环，间接使刀具冷却，这是一种低温干切削方法。下图是用PCBN刀具加工RBSN工件材料时刀具磨损量的对比实验结果。可以看出这种干切削方法明显降低了刀具的磨损。硬切削是对高硬度材料直接进行切削加工，是一种“以切代磨”的新工艺，也是高速切削技术的一个新应用领域。第三讲硬切削3.1硬切削的涵义通常，被加工工件材料主要包括铸铁、高速钢、轴承钢等钢铁材料，有时也涉及高温合金、钛合金等难加工材料。铁合金加工高温合金加工目前，硬切削这种新工艺正在许多工业部门采用，如汽车制造厂用这种方法对传动轴、各类轴传动链、发动机、制动盘和制动转子进行半精加工和精加工，飞机制造厂用这种方法制造副翼齿轮和起落架等。机床、工具、医用设备、汽车零件等都把硬切削作为其生产过程的一个组成部分。与传统磨削加工相比，硬切削工艺具有如下优点：1.加工效率高。硬切削往往采用大切削深度、高的工件转速，其金属切除率通常为模型加工的3~4倍；2.设备投资少。用硬切削不需用专用刀具、专用机械和夹具，而磨削则要求使用专用夹具；3.硬切削可使零件获得良好的整体加工精度。硬切削中生产的大部分热量被切屑带走，从而保持零件的热稳定性；4.硬切削是洁净的加工工艺。在大多数情况下，硬切削无需冷却液；长期以来，许多研究工作一直关注硬切削与磨削的加工效果比较，特别是加工表面粗糙度的高低，早期的研究普遍认为硬切削的表面粗糙度高于磨削表面。关于加工表面完整性的实验研究随着研究工作的不断深入，人们对硬切削的加工效果逐渐有了新的看法。F.hashimoto等人对滚动轴承钢进行硬切削和磨削的对比试验研究，试验结果表明硬切削加工表面粗糙度优于磨削表面30%，在粗糙度相同的情况下，硬切削与磨削具有不同的沟槽效应3.2硬切削的关键技术CBN含量PCBN刀具用途50%连续切削淬硬钢（45~64HRC）65%断续切削淬硬钢（45~65HRC）80%加工镍铸铁90%连续重载切削淬硬钢（45~65HRC）80%~90%淬硬钢的半精加工和精加工目前，切削淬硬钢刀具主要是聚晶立方氮（PCBN)。对PCBN刀具的研究主要集中在三个方面:第一，对PCBN刀具材料的研究主要是CBN的含量、CBN颗粒大小以及结合剂类型对硬切削性能的影响。3.2.1硬切削刀具材料技术

第二，关于PCBN刃口形状研究也是一个热点，PCBN不同于普通刀具，最大的区别是刀具的负前角，它是为了增加刀具的强度并改善工件材料的切削性能。下图是用于硬钢切削的PCBN刀具刀刃的几何形状结构示意图第三，CBN纳米涂层的研究。是为了减轻刀具磨损，将进一步推动CBN刀具在硬钢切削中的应用。CBN涂层刀具一般是在硬质合金刀片上涂覆一层或多层CBN纳米晶薄膜。3.2.2硬切削加工的机床硬切削的机床必须满足高速、重载的使用要求硬切削通常和高速切削一样也采用电主轴相对于一般的高速切削，硬切削又具有重载荷的特点针对这一矛盾，Z.Wang等人最近研究开发了用于铣床的双驱动主轴，其结构示意图如下图所示这种新颖结构主要是通过两个电机工作实现大扭矩输出