高速干式切削加工技术及其应用（二）

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　　机床床身采用热稳定性好的结构和材料，可将切削热的影响降到最低程度。如采用均衡温度的结构，将床身的左右两侧、顶部和底部设计成四个相通的型腔并注入油液，即可保证整个床身具有相同的温度。此外，机床立柱与底座等基础构件采用对称结构并选用热容量小的材料，主轴采用恒温水冷装置等，都能提高机床的热稳定性。
1 p' M- c0 }% S' A- m( R& b　　采取适当的隔热措施，如排屑槽用绝热材料制造，高速切削区采用绝热罩来隔断热切屑，均可减少排屑过程中切屑传递给机床的热量。
" Q, M, X7 w5 O! ]2 @2 D  X  e　　2.2高速干式切削加工刀具技术
9 s3 w$ ~" D) e/ x3 {　　(1)开发适合高速干式切削加工的刀具材料
　　为了加速排屑和散热，延长刀具的使用寿命，高速干式切削加工的切削速度一般要高于普通高速加工。因此，高速干式切削加工刀具材料应具有很高的红硬性和热韧性。目前，适用于干式切削的刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、SiC晶须增韧陶瓷和纳米晶粒陶瓷材料等。
* S5 `1 G* S: d' v. W9 Y　　细化后的超细颗粒硬质合金具有很好的硬度、耐磨性、韧性和耐热性。普通硬质合金的平均晶粒尺寸约为2～3μm，细化晶粒的尺寸约为1～2μm，超细晶粒尺寸则在0.5μm以下。超细颗粒硬质合金适用于需要大前角的加工场合，可用于制造高速干式切削中使用的钻头、深孔钻等。立方氮化硼(CBN)材料的硬度高达3200～4000HV，具有很高的耐热性和抗化学腐蚀性，在1200℃～1300℃的高温下仍不会与铁族材料发生化学反应，非常适合对铸铁和淬硬钢等进行高速干式切削。聚晶金刚石(PCD)材料的硬度约为CBN的2倍，是最硬、最耐磨的刀具材料，其导热性好，热膨胀系数也很小，特别适合对各种铜铝合金、非金属材料和复合材料进行高速干式切削加工。PCD涂层刀具在高速干式切削加工铝合金工件时可获得良好效果。用CVD(化学沉积)工艺生产的金刚石涂层刀片适用于铣削加工铝合金。在Al2O3陶瓷基体中添加20%～30%的SiC晶须即可制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹扩展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。
　　(2)研究开发适合高速干式切削加工的刀具涂层
　　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。
　　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。
/ \: W6 ^2 q: R& U3 S　　(3)优化刀具几何形状
3 i, K7 h% w7 O3 x! U　　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：
2 u6 x/ f, M* ~2 |　　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。
　　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。
  u: f0 o3 f3 w) P1 N8 I: w　　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。
　　2.3高速干式切削加工参数的选择
) @  n0 X1 H0 K& S　　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。
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