干切削是切削加工的發(fā)展方向

　　就在二十年前，切削液曾是非常便宜，在大多數(shù)加工過程的成本中，其所占比例不到3%。以至沒有誰會對此多加注意�？墒�，現(xiàn)在不一樣了，切削液在車間生產(chǎn)成本中所占比例上升為15%，這就不得不引起生產(chǎn)經(jīng)營者的極大關(guān)注。

　　特別是那些含油的切削液已經(jīng)成為一項很大的支出。更重要的是它的排放污染環(huán)境，國外環(huán)保部門要監(jiān)控這些混合制劑的處理。而且，許多國家和地區(qū)也把它們劃歸為危險廢物，如果其中含有油和某些合金，還要采取更為嚴(yán)厲的控制措施。再有，許多高速加工工序加了切削液會產(chǎn)生煙霧，環(huán)保部門也限制切削液煙霧釋放量要在允許范圍內(nèi)，職業(yè)安全和職工健康管理部門為了降低切削液煙霧排放允許值，正在考慮一項咨詢委員會的建議。其中包括制定比較高的切削液的價格政策。因此，越來越多的廠家開始采用干切，以避免這筆費(fèi)用和與切削液處理相關(guān)連的麻煩。以前，金屬加工行業(yè)使用切削液已形成"習(xí)慣"，所以推廣干式切削的主要障礙是這種習(xí)慣勢力，他們認(rèn)為切削液是取得良好加工表面、提高刀具壽命所必須的。也有許多人認(rèn)為變濕切為干切，費(fèi)用可能會更高。其實兩種看法都不對。對于多數(shù)金切件，干切應(yīng)該是"標(biāo)準(zhǔn)加工環(huán)境"。在高速下干車、干銑淬硬材料不僅可能，而且更經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵是要知道如何正確地選擇刀具、機(jī)床和切削方法。盡管切削液在有些場合還是需要的，可是研究表明：由于今天的刀具材料有了很大發(fā)展，情況也在不斷的變化。新的硬質(zhì)合金牌號特別是那些涂層牌號，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。事實上，對于間斷切削，切削區(qū)溫度越高，越不適合用切削液。

　　 先來看看銑削，假定切削液能克服高速旋轉(zhuǎn)的銑刀引起的離心力，那它在到達(dá)切削區(qū)之前也就已經(jīng)蒸發(fā)了，它的冷卻效果是很小的甚至沒有。而應(yīng)用切削液刀具會產(chǎn)生溫度的激烈變化，銑刀刀片自工件切出時冷卻，再切入時溫度又上升。盡管在干切削時也有類似的加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生，但是加了切削液這種溫度變化要大得多。溫度急劇變化在刀片中產(chǎn)生應(yīng)力，會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

　　 類似的情況在車削中也會出現(xiàn)，例如用非涂層硬質(zhì)合金，在速度高于130m/min時，車削中碳鋼，刀尖切入工件不到40秒，然后暴露在冷卻液中，就能很明顯地表現(xiàn)出熱沖擊的損害。這種熱沖擊加快了月牙洼磨損和后面磨損，從而大大地縮短刀具壽命。對于大多數(shù)車削加工，干切通常能延長刀具壽命。

　　 然而，對于鉆削則是另一種情況。鉆削時切削液是必要的，因為它提供了潤滑和從孔中沖出切屑。沒有切削液，切屑可能粘在孔內(nèi)，并且表面粗糙度平均值(Ra)可能達(dá)到濕鉆時的兩倍。在這種情況下，切屑液也能減少所需的機(jī)床扭矩，因為鉆頭邊緣上與孔壁接觸的點得到潤滑。盡管涂層鉆頭也能夠起到類似切削液的潤滑效果，涂層還能減少切削力并能使磨擦阻力趨向最小。從總的效果來看，目前還不能完全代替切削液。用哪種型號的切削液要根據(jù)具體情況，潤滑性切削液用于低速加工難加工材料以及表面粗糙度要求較高時比較好。而冷卻能力較高的切削液，可以增強(qiáng)易切削材料高速加工性能，可以用于有產(chǎn)生積屑瘤傾向或有嚴(yán)格的尺寸公差的情況下�？墒窃S多時候用了切削液取得了某些效果，但它需要很高的額外費(fèi)用，也帶來非常有害的環(huán)境污染，這是不值得的。應(yīng)該看到，現(xiàn)代的切削刀具能承受更高的切削熱，具備高速切削所需的性能。必要時可以用壓縮空氣從切削區(qū)吹走熱的切屑，以取代切削液。

　　 在干式切削中刀具材料的選用 

式切削最好的涂層是氮鋁鈦現(xiàn)今，切削液通常不再必要的重要原因是有了涂層。它們通過抑制從切削區(qū)到刀片(刀具)的熱傳導(dǎo)來減緩溫度的沖擊。涂層的作用就象一層熱屏障，因為它有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù)。因此，這些刀具吸收的熱量較少，能承受較高的切削溫度。無論是車削還是銑削，涂層刀具都允許采用更高效的切削參數(shù)，而不會降低刀具壽命。

　　涂層厚度在2到18微米之間，它在刀具性能方面起著重要的作用。較薄的涂層比厚的涂層在沖擊切削時，經(jīng)受溫度變化的性能要好，這是因為較薄的涂層應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生裂紋。在快速冷卻和加熱時，厚的涂層就象玻璃杯極快地加熱冷卻一樣，容易碎掉。用薄涂層刀片進(jìn)行干式切削可以延長刀具壽命高達(dá)40%，這就是物理涂層常用來涂圓形刀具和銑刀片的原因。PVD涂層往往涂得比化學(xué)涂層要薄，與輪廓結(jié)合得較牢固。另外，PVD涂層可以在低得多的溫度下沉積在硬質(zhì)合金上，因此，它們更多地應(yīng)用于非常鋒利的刃口及大的正前角銑刀、車刀。

　　雖然涂層材料氮化鈦，在所有涂層刀具中占有80%。然而在高速干式切削的情況下，最好的PVD涂層是氮鋁鈦(TiAlN)，它的性能在高溫連續(xù)切削時，優(yōu)于氮化鈦四倍，例如用于高速車削。TiAlN涂層對于處在較高的熱應(yīng)力條件下的刀具，也勝過其它涂層。象干式銑削及那些小直徑孔的深孔鉆削切削液難以到達(dá)的部位。

　　TiAlN在切削溫度下比TiN更硬，且具有熱穩(wěn)定性，PVD涂層利用了它的抗化學(xué)磨損性能，它的硬度高達(dá)維氏3500度，它的工作溫度高達(dá)1470°F。材料科學(xué)家推測：這些性質(zhì)可歸功于非結(jié)晶的氧化鋁薄膜，它是當(dāng)高溫時涂層表面中的一些鋁氧化后，在切屑/刀具界面上形成的。

　　這項研究特意選用超薄多層PVD涂層，這種沉積過程產(chǎn)生的涂層由上百層組成，每一層僅有幾個納米厚。而一般的PVD涂層的沉積物只有幾層微米級厚度的涂層。

　　盡管PVD涂層有很多優(yōu)點，但是對于加工大多數(shù)黑色金屬，CVD涂層仍然是更受歡迎。在CVD加工過程中，沉積溫度比較高有助于提高結(jié)合強(qiáng)度，并且允許基體中有較高的鈷含量，這樣刀刃的韌性好，提高抗塑性變形的能力。由于CVD涂層比PVD涂層厚，就要求在它們的刃口處進(jìn)行鈍化，以防止涂層剝落，同時也能有助于提高刀具的抗磨損性能。允許采用進(jìn)給量可達(dá)0.035英寸/轉(zhuǎn)。

　　CVD是在刀具上沉積一層有用的氧化鋁的過程，這是人們熟知的最耐熱和抗氧化的涂層。氧化鋁是不良導(dǎo)體，它把刀具與切削變形而生成的熱量隔開，促使熱量流到切屑中。這是一種極好的CVD涂層材料，主要用于在干切時使用的硬質(zhì)合金車刀。它在高速切削時還能保護(hù)基體，是最好的抗磨料磨損和月牙洼磨損的涂層。

　　涂層刀片有較長的刀具壽命，它在干式銑削比濕式銑削更穩(wěn)定。更高切削速度會使切削溫度進(jìn)一步升高。例如，在14000轉(zhuǎn)/分和1575英寸/分的切削速度下干式切削加工鑄鐵，能把刀具前面的切削區(qū)加熱到600°～700℃。其金屬切除率就類似于銑削鋁，這時在鑄鐵上產(chǎn)生的溫度就高于常規(guī)刀具。<\p>

2金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD的選用

　　切削速度越高就要求刀具材料更耐磨，還要求具有較高的熱硬性。金屬陶瓷、立方氮化硼以及兩種適合精細(xì)加工需要的陶瓷--氧化鋁和氮化硅(現(xiàn)代術(shù)語"陶瓷"包含氧化鋁和氮化硅，而不象過去單指氧化鋁。)，它們的應(yīng)用日漸普及。聚晶金剛石是另一種干式切削情況下使用的刀具材料。在所有這些材料中，它們都有較高的紅硬性和耐磨性，需要權(quán)衡考慮的是脆性較大。

　　 (1)金屬陶瓷

　　是一種先進(jìn)的硬質(zhì)合金。金屬陶瓷比常規(guī)硬質(zhì)合金能承受更高的切削溫度，但是缺乏硬質(zhì)合金的耐沖擊性、在中型到重型加工時的韌性、以及在低速大進(jìn)給時的強(qiáng)度。金屬陶瓷在小的和不變的負(fù)荷時，也象常規(guī)硬質(zhì)合金那樣，有差不多的刀刃強(qiáng)度。但是它在高切削速度下的耐高溫和耐磨性能更好，持續(xù)時間更長，加工的工件表面更光潔。當(dāng)用于加工軟的和粘性的材料時，它也有較好的抗積屑瘤性能，表面質(zhì)量很好。較好的高溫硬度來自配料時加入的鈦的化合物。金屬陶瓷是硬質(zhì)合金的一種型式，它含有堅硬的鈦基化合物(碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦)，粘結(jié)劑是鎳或鎳鉬。由于金屬型粘結(jié)劑的溫度局限性，典型的金屬陶瓷牌號，在加工的材料硬度超過HRC40時，不具備足夠高的熱硬性。

　　金屬陶瓷比起涂層和非涂層硬質(zhì)合金，對斷裂和進(jìn)給引起的壓力更加敏感。因此，它最好用于高精度工件和表面質(zhì)量要求較高時。理想的加工工序是切削那些連續(xù)的表面。車削碳鋼時，進(jìn)給量的上限通常是0.025英寸/轉(zhuǎn)。一般用途的銑削，可以在高的主軸速度、中等進(jìn)給量的條件下進(jìn)行。如果滿足這些條件，在大量生產(chǎn)時金屬陶瓷能長時間地保持鋒利的切削刃。如果金屬陶瓷是在傳統(tǒng)的切削速度和進(jìn)給量下使用，比起硬質(zhì)合金刀具能改善了刀具壽命和表面質(zhì)量，也能提高生產(chǎn)率，對于切削合金鋼時其提高幅度為20%，對于切削碳鋼、不銹鋼和軟鐵時為50%。

(2)陶瓷陶瓷刀具類似于金屬陶瓷，它比硬質(zhì)合金有更高的化學(xué)穩(wěn)定性，可在高的切削速度下進(jìn)行加工并持續(xù)較長的時間。純氧化鋁可以耐非常高的溫度，但是它的強(qiáng)度和韌性很低，工作條件如果不好，容易破碎。為了減低陶瓷對破碎的敏感性，在企圖改善其韌性、提高耐沖擊性能時，加入了氧化鋯或加入碳化鈦與氮化鈦的混合物。盡管加入了這些添加劑，但是陶瓷的韌性比硬質(zhì)合金還是低得多。另一個提高氧化鋁陶瓷韌性的方法是在材料中加入結(jié)晶紋理或碳化硅晶須，通過這些特殊的平均起來僅有1納米直徑，20微米長很結(jié)實的晶須，相當(dāng)程度地增加了陶瓷的韌性、強(qiáng)度和抗熱沖擊性能。在組成上，晶須可高達(dá)30%。象氧化鋁一樣，氮化硅比硬質(zhì)合金有更高的熱硬性。它耐高溫與機(jī)械沖擊的性能也比較好。與氧化鋁陶瓷相比它的缺點是在加工鋼時它的化學(xué)穩(wěn)定性不很好�？墒�，用氮化硅陶瓷可在1450英尺/分或更高的速度下加工灰鑄鐵。雖然使用陶瓷刀加工效率可以很高，但是應(yīng)用必須正確。例如，陶瓷刀具不能用于加工鋁，而對灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬硬鋼和某些未淬硬鋼、耐熱合金則特別適合�？墒菍�這些材料而言，應(yīng)用得成功還有賴于開始切削之前刀具刃口外觀的準(zhǔn)備、機(jī)器和裝備的穩(wěn)定性和選用最佳的加工參數(shù)。

　　(3)CBN

　　CBN是一種非常硬的刀具材料，通常最好用來加工硬度高于RC48的材料，它有極好的高溫硬度--高達(dá)2000℃，盡管比硬質(zhì)合金要脆得多，比陶瓷耐熱性和化學(xué)的穩(wěn)定性要差，但是它比陶瓷刀具有較高的沖擊強(qiáng)度和抗破碎性能。對于切削淬硬金屬時，機(jī)床剛性可以稍差。此外，一些特制的CBN刀具能抵御高功率粗加工的切屑負(fù)荷，間斷切削的沖擊以及精加工時的磨損和切削熱。對于要求嚴(yán)格的零件，應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以提高機(jī)器和裝備的剛性。刃口倒鈍應(yīng)足夠大以防止微觀剝落和使刀具基體上有一定厚度的CBN層，這就能使刀具在高速、重負(fù)荷、劇烈的間斷負(fù)荷下工作。這些特點使CBN成為粗加工淬硬鋼和珠光體灰鑄鐵所選用的刀具材料。

　　刀具帶有一薄層CBN是比較脆弱的，但是它用于加工淬硬的鐵合金又是比較好的刀具材料。CBN具有低的導(dǎo)熱系數(shù)和高的壓縮強(qiáng)度，經(jīng)受得了由于高切削速度和負(fù)前角產(chǎn)生的切削熱。在切削區(qū)內(nèi)由于較高的溫度使工件材料軟化，有助于切屑的形成。負(fù)的幾何角度加強(qiáng)了刀具，穩(wěn)定了切削刃，改善了刀具壽命和允許在小于0.010″的淺切深下進(jìn)行加工。

　　在干式車削淬硬工件的情況下，由于CBN刀具可以加工出小于16微英寸的表面質(zhì)量，并能控制±0.0005″的精度，因此常用它取代磨削工序。CBN刀具很適合淬硬車削和高速銑削加工。而對于這個應(yīng)用范圍，陶瓷和CBN是重疊的。因此，進(jìn)行成本效益分析是非常必要的，以確定哪一種材料將提供最好的效果。