高速干式切削加工技术及其应用(下)

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　　(2)研究开发适合高速干式切削加工的刀具涂层

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　　对刀具表面进行涂层处理可减小刀具与工件表面之间的摩擦，减小切削力，降低对切削液润滑作用的依赖。

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　　目前，用于高速干式切削刀具的涂层技术主要有两类，一种是“硬”涂层，如TiN、TiC、Al2O3等。此类涂层刀具表面硬度高、耐磨性好，其中，TiC涂层刀具抗后刀面磨损能力很强；TiN涂层刀具则有较理想的抗月牙洼磨损能力。另一种是“软”涂层，如MoS2涂层、WS2涂层等。此类涂层刀具的优点是表面摩擦系数很低(约0.01)，切削时可减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，故又称为自润滑刀具。例如，瑞士开发的“MOVIC”软涂层技术在刀具表面涂覆一层MoS2。切削实验表明，在Si含量为9%的铝合金工件上进行干式攻丝加工时，普通丝锥只能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可以加工1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可以加工4000个孔。TiAlN是高速干式切削常用的涂层材料，它与基于MoS2的“MOVIC”软涂层结合使用时，可获得更好的加工效果。

　　(3)优化刀具几何形状

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　　针对高速干式切削加工的特点，需要对高速干式切削加工刀具的几何形状和结构进行优化：

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　　①减少加工刀具与工件表面之间的接触面积。如加大钻头的导程和倒锥角，以防止切屑阻塞，改善排屑性能。改进后效果明显，钻孔能力可提高数倍。如美国Carboloy公司把刀片制成超大正前角(+34°）加强刃，前刀面呈多条弧形沟，以减少切屑与前刀面的接触，使切削温度大大降低，采用常规切削速度加工时，刀具寿命可提高3～4倍。

　　②考虑刀具表面的最大润滑性，防止产生积屑瘤。

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　　③在高速干式切削加工时，可对细颗粒硬质合金刀具和PCD刀具的切削刃口作微小钝化，以刀具基体的强度来保持刃口的锋锐性，达到降低切削温度的目的。这样不但可保持刀具的优良性能，还可延长刀具的最佳使用寿命。

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　　④在高速干式切削加工韧性材料时，断屑槽的断屑性能起着十分关键的作用。可针对不同的工件材料和切削用量，设计相应的断屑槽结构与尺寸，提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。在封闭空间进行高速干式切削(如干式钻削、干式铰削、干式攻丝等)时，则应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。例如，德国WZL的切削试验表明，在用硬质合金钻头干式钻削回火钢时(孔深30mm，孔径11.8mm，进给速度vc=80m/min，每次进给量f=0.2mm)，标准钻头只能钻削约400个孔，而经过优化设计、加宽了钻头排屑槽几何形状的钻头可钻削高达2200个孔，优势明显。

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　　2.3高速干式切削加工参数的选择

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　　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，需要重新考虑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。

　　2.4高速干式切削加工辅助技术

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　　如前所述，高速干式切削时切削力大、切削温度高，尤其在对某些超硬材料进行干式加工时难度很大，因此可以采用某些特殊加工辅助技术。如在对氮化硅(Si3N4)工件进行高速干式切削时，由于该材料的抗拉强度极高，使用任何刀具都会很快破损，此时可采用激光辅助切削技术，即用激光束对工件切削区进行预热，使工件材料局部软化(抗拉强度由750N/mm降至400N/mm)，这样可改善材料的可加工性，使切削力减小30%～70%，刀具磨损降低80%左右，切削过程中的振动也明显减少，材料切除率大大提高，使高速干式切削得以顺利进行。

　　此外，还可采用液氮冷却高速干式切削和高速准干式切削技术，其中，高速准干式切削(也称为最小量润滑技术，MQL)是目前已投入应用的一种新型切削技术。用MQL方法进行切削加工，工件和切屑可保持干燥、清洁，干净的切屑经过压缩还可回收利用，完全不会污染环境。该技术所需投资很少，但收效很大。据称，目前欧洲每年约需15000台具有最小润滑量装置的高速机床，而且需求量还在迅速增长。