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1、摘要随着当前社会对环境保护的要求越来越高，传统的盲目追求高效率的粗放型生产方式已经不能满足工业生产需要，而提倡最大限度的利用和减少废弃物的集约型绿色生产方式引起了人们的关注。干切削加工作为绿色制造实施的具体体现，目前已成为了切削加工领域的研究热点之一。干切削加工过程中，避免了切削液的使用。在生产安全上看，减少了对工人身体的伤害，并且在食品、医药器械加工方面具有极大优势；从效益上看，大大降低了处理切削液所带来的成本。干切削加工与普通加工的区别并不是仅仅减少或杜绝了切削液的使用。在普通切削过程中，切削液起到了润滑、冷却、排屑的作用；而在干切削过程中，由于缺少了切削液的辅助作用，切削力、切削热会大量
2、增加，切削区温度急剧上升，刀具磨损和机床变形加剧；同时，工件加工质量变差。要使干切削在规定的时间达到与湿加工相当、甚至超过湿加工的质量和刀具耐用度，就必须对刀具技术、机床技术和加工工艺有更高的要求。关键词：干切削加工刀具技术机床技术加工工艺目录一、研究现状3二、刀具技术32.1 刀具材料32.2 刀具涂层4涂层介绍4涂层对刀具的影响5涂层对加工表面质量的影响62.3刀具结构6刀具结构设计准则6刀具机构优化的应用6三、机床技术73.1干切削对机床的要求73.2干切削机床机构设计7干切削机床支撑件的设计8主轴的设计8排屑机构的设计8四、工艺技术8五、总结9参考文献10一、研究现状在目前的加工制造过
3、程中，传统的湿切削仍然是主流加工方式。不仅切削液给周围环境带来不利影响，而且对切削液的处理所带来的成本大大高于刀具成本，而这正是人们在成本计算中容易忽略的。据美国企业统计，目前，采购、管理、处理切削液的费用已达成本的14%16%，而刀具费用只占成本的4%。如果20%的切削加工采用干切削，总成本可以降低1.6%，足以可见干切削加工的诱人前景。干切削技术起源于欧洲，目前在西欧各国也最为盛行。在干切削研究和应用方面，目前德国处于国际领先的地位。在德国的制造业中，已有8%左右的企业采用了干切削技术。日本在干切削方面也进行了大量研究，他们已成功开发几种不使用切削液的干式加工中心。其中一种机床上装有液氮冷
4、却的干切削系统，从空气中提取高纯度氮气，在常温下以56个大气压的压力将液氮送往切削区，可顺利实现干加工。我国干切削技术的研究起步稍晚。目前我国陶瓷刀具已形成了一定的生产能力，这为干切削技术的研究与应用提供了初步的技术基础；机床研究所最近开发成功的KT系列加工中心能实现高速干切削。但是，总的来说，我国在干切削理论研究方面和国外还存在较大的差距，在工业中的应用规模更小，有待于进一步加快研究与推广应用。二、刀具技术由于缺少了切削液的润滑、冷却以及排屑与断屑作用，加工时切削热急剧增加，刀具使用寿命大大降低。与湿切削相比，干切削刀具的工作条件恶劣，对刀具的要求也就更严格。（1）刀具具有优异的耐高温性能可
5、以避免在高速切削产生的高温中的硬度降低和刀具表面氧化等问题；（2）刀具表面低的摩擦系数可以有效降低切削过程由于摩擦产生的温度；（3）合理的刀具结构和几何角度利于切削屑的排出，可以很好的散热效果；（4）干切削比湿切削的切削力大，因此干切削刀具还应具有更高的强度和耐冲击韧度。在刀具材料、刀具涂层以及刀具结构三个方面，在遵循上述要求的情况下进行合理选择与设计，可以得到满足干切削的刀具。2.1 刀具材料考虑到干切削加工的特点，刀具材料应具有耐高温、耐磨损、高韧性、低摩擦系数等特点，传统的硬质合金刀具和高速钢很难能满足这些性能。然而新刀具材料的出现使在一定程度上满足干切削对刀具的要求成为可能。图1 材料
6、硬度与温度的关系从图1中可以看出，陶瓷刀具（Al2O3、Si3N3）、金属陶瓷Cermet等材料的硬度具有很好的红硬性，在高温时，硬度可以保持在HV1000以上，适合于一般目的的干加工而无须冷却液。但是由于脆硬性，陶瓷刀具适合于干车削而不适合于干铣削。超细颗粒硬质合金、立方氮化硼、聚晶金刚石具有较高的红硬性和耐磨性,同样可以作为干切削刀具材料，不过由于材料不同的特性而各有用途。超细颗粒硬质合金具有很好的韧性，适合于需要大前角的场合，常被用来制作干式钻削的钻头；立方氮化硼 CBN 刀具硬度高达HV32004000，具有高温热稳定性，最常用于铸铁和淬硬钢的干式切削；聚晶金刚石 PCD刀具的硬度在C
7、BN材料的2倍左右，主要用于铜、铝及其合金以及纤维增强塑料等复合材料的干切削加工。上述刀具材料都有脆性差的缺点，但是干切削相对于传统切削, 消除了因为切削液使用不连续、冷却不均造成热冲击等问题, 因此, 对使用这些脆性较大的超硬刀具材料是更为有利的。2.2 刀具涂层涂层介绍除了选择合适的刀具材料，刀具表面涂层对于干切削也是十分重要的。涂层刀具整体性能的优劣与基体材料及涂层本身的性能密切相关。常用的涂层基体主要是硬质合金、高速钢等，涂层材料主要是TiC、Ti、TiAlN、Al2O3、MoS2、金刚石等。下面以TiAlN为例介绍涂层的性能参数对刀具的影响。干切削加工刀具大都采用TiAlN作为涂层材
8、料。TiAlN涂层硬度23003500HV，热膨胀系数为6.51067.5106，耐热性700800，摩擦系数为0.50。由这些参数可知，TiAlN抗氧化能力高，隔热作用好。同时，TiAlN在高温时会产生氧化膜，改善刀具与工件、切屑的摩擦，减少热量的产生。2.2.2涂层对刀具的影响涂层在刀具上的应用主要有以下作用：（1） 分隔刀具和切削材料；（2） 降低刀具接触区以及刀槽内的摩擦；（3） 为刀具隔热，保护刀具不受切屑影响。硬质合金具有高强度、高硬度等诸多优点，常作为涂层刀具的基体。通过气相沉淀，可以在基体上覆盖耐磨性高的难熔金属化合物，在保持原有韧性的基础上有效提高刀具耐磨性。涂层对刀具性能的
9、改善具体体现在以下几个方面：（1）高的硬度及耐磨性。涂层的硬度一般比硬质合金基体的硬度高，所以涂层刀片具有较高的抗机械摩擦和抗磨损能力。如图2所示，涂层可以有效减小刀具的磨损，增加刀具寿命。图2（2）高的耐热性。涂层本身具有高的耐热性，在高温下仍能保持高硬度；涂层的导热性能差，可以减少传递到刀具的热量。（3）高的抗粘结性能。涂层刀片与工件材料的亲和性小，不易产生粘结，减少了刀具与工件间产生的粘附作用以及刀具的粘结磨损，避免了积削瘤的形成。（4）高的化学稳定性。不同涂层物质与硬质合金和工件在高温下的反应特性不同。例如Al2O3涂层与工件材料基本不发生反应，使刀具具有较高抗溶解于铁的能力。（5）摩
10、擦系数低。有些涂层本身具有较低的摩擦系数，如金刚石与铝；还有一些涂层在切削时形成的薄膜具有润滑作用，例如TiC可以形成TiN，后者与铁基材料的摩擦系数更低。2.2.3涂层对加工表面质量的影响在干切削过程中，涂层与工件接触，涂层对工件的加工质量有着直接的影响。涂层本身的晶粒大小影响着工件的表面质量。传统的金刚石涂层都是由大颗粒金刚石组成，工件的表面质量并不高，但是采用CVD技术，并选用适当的参数，可以得到表面粗糙度小于1m的新型金刚石涂层，在含Co6%的钨基硬质合金基体上使用这种涂层，可以使铝合金表面粗糙度低于1m。2.3刀具结构刀具结构设计准则与普通加工一样，加工方法的多样性对干切削的刀具结构
11、也有很多要求。根据这些要求，干切削加工刀具应该尽量遵循一下准则：（1）刀具结构设计必须考虑使加工过程中受到的切削力和摩擦力小，以保证产生很少的热；（2）考虑排屑问题以保证热量更好的散失。例如ALPHA 22型深孔钻头，在遵循这个原则的基础上，采用特殊的40螺旋角结构，可以在不进行润滑和冷却的情况下，钻削深度达78倍直径的孔。（3）刀具应具有较大的前角，并配有适宜的切削刃形状。这一措施可以减小切屑与前刀面的接触面积，减轻月牙洼磨损。如采用图3所示的具有大前角和大刃倾角的干铣刀片, 实验证明可大大减小刀具与切屑之间的接触面积, 使切屑带走大量热量。图32.3.2刀具机构优化的应用1.采用热管式刀具
12、。回旋型刀具和特殊几何形状的新型刀片等，可以获得更理想的干切削效果。图4是一种热管刀具，在加工时，前刀面温度仅为普通刀具的2/3，温度可以降低5060，刀具耐用度可以提高23倍。图42.开发易于排屑的刀具结构。例如可以利用真空原理，在切削区形成负压，通过管道将切屑吸走。3.日本三菱金属公司开发的适用于干切削的“回转型车刀”采用圆形超硬片，刀片的支撑部分装有轴承，在加工过程中刀片可以自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有加工效率高，加工质量好，刀具寿命长等优点。三、机床技术3.1干切削对机床的要求干切削过程比湿切削产生了更多的热量，这些热量主要集中在切屑中，大量的切削堆积在机床上，使得机床温度升高
13、，热变形加剧。由于没有切削液的润滑作用，切削阻力会大大加大，机床振动增加。上述现象对加工带来不利影响，因此，干切削机床必须具有良好的散热、排屑、吸尘以及刚性良好的基础部件。（1）干切削机床应有较高的刚性。干切削过程一般具有高的切削速度，机床必须具有良好的刚性才能减轻振动。（2）机床尽可能是高速机床。在这种情况下，机床可降低30%左右的切削力，95%以上的切削热可由切屑带走，工件可基本保持室温。（3）机床应有吸尘、排屑装置。机床结构应有利于排屑，还应注意主轴、导轨等精密运动部件的密封。3.2干切削机床机构设计干切削机床可以看作是在湿切削机床的基础上改进而来的，一般是在现有机床上添加排除切削的抽吸
14、装置、微量润滑装置或冷风装置，有些机床具有针对于切屑堆积和排出问题而设计的床身结构，切屑容易落入切屑输送器中。干切削机床支撑件的设计支撑件是机床的基础大件，其结构应具有高强度和刚度、较好的抗振性和热稳定性，设计时应注意一下问题：（1）保证排屑顺畅。在结构允许下，降低立柱高度，在机床下方设计排泄槽，可保证切屑顺利落入切屑传送装置；（2）改善隔热条件，减少排屑过程中切屑传给机床部件的热量；（3）采用均热结构。可以避免床身受热集中。（4）采用专门设计的抗弯曲扭矩管状铸造床身，在床身中装填疏松聚合物或者用人造花岗岩制造底座，这样可以增加床身的抗振性和吸热能力。3.2.3主轴的设计机床工作时，主轴夹持工
15、件直接参与切削运动，主轴的精度和性能直接影响工件质量。目前机床设计中常用结构如下：（1）采用高精度主轴轴承。混合陶瓷轴承、静压或者动压轴承；（2）角接触轴承采用配对的背靠背组合方式，提高主轴精度；（3）采用油雾润滑装置以及主轴恒温的水冷装置，保证主轴的热稳定性；（4）采用三支撑主轴提高刚性。排屑机构的设计为了降低工艺系统的切削温度，必须将切屑快速排出。干切削机床常用的排屑装置有真空排屑、喷气排屑和虹吸排屑。真空排屑利用空气的减压将切屑从切削区带走，喷气排屑利用压缩空气将切屑吹出切削区，虹吸排屑则利用干燥的空气吸出切屑。由于真空排屑可以及时将悬浮颗粒吸走，因此，它目前是干切削机床最理想的吸尘装置
16、。机床设计还应避免能够积累切屑的洼坑和高台，用排屑传动器及时将切屑送出机床外。例如采用倾斜导轨，在重力作用下可以将切屑排出。在排屑处理中，还应注意精密部件的密封，防止与切屑摩擦带来的磨损。四、工艺技术工件材料在很大程度上决定了实施干切削的可能性。减少切削过程中变形和摩擦产生的热量，是发展干切削的一项技术措施。例如，开发易切钢和易切铸铁等。不同工件材料的热学特性差别较大，干切削要求工件有较大的热容量和较低的热导率，因此，大质量的零件比小质量的零件更适宜于干切削。切削力大、温度高是干切削的主要特点，为了减少高温下刀具和工件之间材料的粘结和扩散，获得正常的刀具寿命，应特别注意刀具材料和工件之间的合理
17、匹配。刀具确定以后，根据具体加工，还应选择合适的切削用量和其他参数。在干切削加工中，建议采用高的切削速度，因为高的切削速度会使切屑排除快散热快，对提高刀具寿命非常有利。现已经采用的干切削加工工艺有：低温冷干切削技术，高速干切削技术，低温干切削技术，静电冷却干切削技术，微量润滑的准干切削等。五、总结干切削加工技术作为绿色加工的代表之一，其最大的优势就是避免了切削液的使用，从而避免了切削液带来的在环境以及成本上的弊端，在未来将成为切削加工的主流。目前，干切削对于干切削的研究主要集中在刀具技术、车床技术和工艺技术这三个方面。根据目前掌握的技术，干切削技术活完全可以实现，但是距离大*围推广还有很长一段
18、路要走。成本限制了干切削加工的应用。干切削对刀具材料和涂层具有很高要求，虽然新材料可以满足要求，但是提高了成本。对于大批量生产尚可，若使用干切削刀具来小批量生产，其成本远远高于使用切削液带来的成本。材料性能也是干切削技术发展的制约因素。通常刀具的强度与韧性相互矛盾的存在，很难实现高强度与高韧性并存。目前人们采取的措施只能是改进加工方法或者增加刀具涂层等。随着材料科学的发展，这一瓶颈可能被突破，并且将给切削加工带来一场变革。参考文献1黄日晶.切削_正在兴起的绿色加工技术2 叶伟昌.切削刀具及其应用3 *希让.切削的刀具和切削条件选择4 汪通悦.切削的关键技术5 杨小璠.切削的关键技术及其应用6王希.切削过程刀具磨损_破损监测与分析7唐振宇.切削机床与刀具技术8*志峰，*崇高，任家隆.干切削加工技术及应用.：机械工业.2005.9 李志英.切削及其对刀具的要求10 秦录芳.切削技术的研究和应用进展11白钊干.削技术及其新发展12 包轩庭.速干切削技术的研究现状与发展趋势
