新世纪的干切削技术

jin889

图1 不同材料硬度与温度的关系
难于进行干切削的工件材料和加工方法组合表
工件材料
( P  C  h* ?7 F) g加工方法
车削
铣削
5 Q. O; t" S* x# i# T3 U2 S铰削
* r/ n' N$ B# Z# R( u攻丝
钻孔
. H# O# h$ M5 t6 `3 ?: _铸铁
钢
) D" B* h, _/ w×
×
; T. w. K) ~& I( v×
铝合金
×
×
1 g$ _3 c  A% z4 b超硬合金
6 R( N) O" F4 z×
×
×
! \$ h" g+ A5 ]7 T) O* Z( B×
/ W- J- r7 t$ L×
- W. u! |8 J( Y4 P* Q- v5 F复合材料
' f0 V& p. j6 b1 Y: x注：×表示难于进行干切削
铝合金传热系数高，在加上过程中会吸收大量的切削热；热膨涨系数大，使工件发生热变形；硬度和熔点都较低，加工过程中切屑很容易与刀具发生“胶焊”或粘连，这是铝合金干切削时遇到的最大难题。解决这难题的最好办法是采用高速干切削。在高速切削中，95%～98%的切削热都传给了切屑，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，大大减小了切削力和产生积屑瘤的可能性。工件可以保持常温状态，既提高厂生产效率，又改善了铝合金工件的加工精度和表面质量。
' |- Q# @9 G0 b% [% f' k: h  v为了减少高温下刀具和工件之间材料的扩散和粘结，应特别注意刀具材料与工件之间的合理搭配。例如，金刚石(碳元素C)与铁元素有很强的化学亲合力，故金刚石刀具虽然很硬，但不宜于用来加工钢铁工件；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干切削。又如PCBN刀具能够对淬硬钢、冷硬铸铁和经过表面热喷涂的硬质工件材料进行干切削，而在加工中、低硬度的工件时，其刀具寿命还不及普通硬质合金的寿命高。
* h2 t7 y9 t. l9 a4 q  v5 p3 k& \6 K6 K, K
图2 激光辅助干切削
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& e7 e2 r4 n. p4 a7 ~图3 用液氮冷却刀具
; j( h8 k$ R7 E- ]
. b$ g/ z+ c9 K9 D$ G  c图4 PCBN刀具在车削RBSN材料后的刀具磨损
8 F1 U# |) e/ P, K6 l: q硬车是一种“以车代磨”的新工艺，用于某些不适宜进行磨削的回转休零件的加工，是一种高效的干切削技术。在对氮化硅(Si3N4)工件进行硬车时．由于该材料有极高的抗拉强度，使任何刀具都很快破损。可采用激光辅助切削，用激光束对工件切削区进行预热(见图2)，使工件材料局部软化(其抗拉强度由750MPa降至400MPa)，则可减小切削阻力30%～70% ，刀具磨损可降低80%左右，干切削过程中的振动也大为减小．大大提高了材料切除率．使干切削得以顺利进行。
9 I+ d$ r+ v4 D( Z% q" D钛铝钒合金(Ti6Al4V)和反应烧结氮化硅(RBSN)是典型的难加工材料，其传热系数很小，干加工中产生大量的热，使刀具材料发生化学分解，刀具很决磨损，图3所示为用液氮冷却刀具加工这类材料的新方法。
% x& [! `# }# [2 D" h  f( X3 R在车刀前刀面上倒装了个金属帽状物，其内腔与刀片的上表面共同组成一个密闭室。帽状物上有液氮的入口和出口。在干切削过程中，液氮不断在密闭室中流动，吸收刀片上的切削热，使刀具不产生过高的温升．始终保持良好的切削性能，顺利实现干切削。图4是用PCBN刀具加工RBSN工件材料时刀具磨损量的实验结果。在不使用液氮冷却刀具时PCBN刀具车削长度仅40mm，后刀面磨损量便高达3mm，切削无法再进行下去。采用上述液氮装置后，刀具磨损情况大为改善，车削长度160mm后，后刀面仅磨损0.4mm。被加上工件的圆度误差也从20μm减至3.2μm。液氮是一种很容易获得的原料价格便宜还可以反复使用。
6 准干切削
纯粹的干切削有时很难进行，此时可采用最小量润滑技术(Minimal Quantity Lubrication)，简称MQL。这种方法是将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行润滑。MQL技术可以大大减少“刀具—工件”和“刀具—切屑”之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用。它所使用的润滑液很少．而效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染。例如用(Ti, Al)N+MoS2徐层刀具对铝合金工件进行纯粹的干切削时．刀具钻16个孔后，切屑就粘结在钻头容屑槽中，使刀具完全不能使用。采用MQL技术后．钻孔数高达320个．钻头也还没有发生明显的磨损或粘连，加上出来的所有孔都满足要求。
MQL法所使用的润滑液用量一般为0.03～0.2L/h ，约为湿切削的6万分之一。清洁和干净的切屑经过压缩还可以回收使用，完全不污染环境。因此MQL法又称为“准干切削” (Near-Dry Cutting)。
% U! u3 i6 i* e3 B9 Q/ g$ r( k准干切削技术和涂层刀具相结合，能够取得最好的效果。例如，用高速钢涂层钻头加工X90CrMoV18合金钢．当用TiAlN涂层高速钢钻头进行纯粹干钻削时，钻3.5m的叨削长度后钻失便被损坏；采用(TiAlN+MoS2)复合涂层钻头和最小润滑法，其钻削长度增加到115m。
6 B+ x: X2 N7 D$ _7 总结和展望
干切削技术是对传统生产方式的一个重大创新，是种崭新的清洁制造技术。世界各国日益严厉的环保法规，有利于加速干切削技术的推广与应用；各种超硬、耐高温刀具材料及其涂层技术的发展，为干切削技术创造了极为有利的条件；最小量润滑装置的有效应用和各种中心小孔的孔加工标准刀具的出现，使准干切削在铝合金和各种难加工材料的孔加工中获得了越来越多的应用。干切削技术从出现到现在只有短短10年的历史，它是一种新兴的绿色制造技术．对实施人类可持续发展战略有重要的意义，是新世纪的前沿制造技术。
% P/ m% r9 V: T: a' R" t2 k文章关键词： 切削