摘要：<p> 干切削加工及其措施 </p> <p> 切削液的使用必須符合環(huán)保要求，為此人們進(jìn)行了大量的探索與研究，如開發(fā)新型切削液、加強(qiáng)切削液管理、采用切削廢液處理技術(shù)以及改進(jìn)冷卻方法等，試圖減小使用切削液所帶來的不利影響，但都未能取得很滿意的效果。而要從根本上消除傳統(tǒng)切削液帶來的不利因素，干切削(Dry Cutting)是一種可行的方法。本文結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在干切削加工技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，分析了影響干切削加工的因素，在此基礎(chǔ)上探討了實(shí)現(xiàn)干切削加工的一些措施，*后簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)干切削加工的研究與應(yīng)用情況。<br /> 1、影響干切削加工的因素：干切削是指在切削加工中不使用切削液的工藝方法。它從源頭上消除了切削液帶來的一系列環(huán)境負(fù)面效應(yīng)，主要具有如下特點(diǎn)：(1)形成的切屑潔凈、無污染、易于回收和處理；(2)省去了與切削液有關(guān)的供應(yīng)、回收、過濾等有關(guān)裝置的購(gòu)買及保養(yǎng)費(fèi)用，以及與切屑、切削液處理有關(guān)的費(fèi)用，既簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，又節(jié)約了生產(chǎn)成本；(3)不污染環(huán)境，工廠無需承擔(dān)切削廢液污染責(zé)任，也不會(huì)發(fā)生與切削液有關(guān)的**及質(zhì)量事故。<br /> 然而在加工中若不使用切削液，會(huì)使切削狀態(tài)進(jìn)一步惡化，即切削溫度升高，刀具/切屑及刀具/工件表面之間的摩擦?xí)M(jìn)一步加劇，排屑不暢，刀具壽命降低，并使加工表面質(zhì)量變差。因此，要使干切削加工能順利進(jìn)行，就必須尋求技術(shù)上的解決方案，使其能彌補(bǔ)切削液的主要功能。這就要求仔細(xì)分析各種特定的邊界條件和影響干切削加工的復(fù)雜因素(附圖)。<br /> 2、實(shí)現(xiàn)干切削加工的措施研制適合干切削加工的刀具材料開發(fā)適合干切削加工的刀具材料是其成功應(yīng)用的關(guān)鍵之一。在干切削加工時(shí)，一般采用比普通加工要高的切削速度，這樣可以加速排屑及散熱，從而提高刀具壽命、增加刀具的抗熱性能。但在高速切削時(shí)，切削區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，切削用量越大，切削區(qū)的溫度也越高，傳統(tǒng)方法一般都要加冷卻液冷卻，然而采用新型刀具材料以及選擇合理的切削參數(shù)，既可承受切削過程中的高溫，進(jìn)行高速切削，又可使產(chǎn)生的大部分熱量傳給切屑，即可進(jìn)行干切削加工。 <br /> 干切削刀具材料要具有優(yōu)良的熱性能，常用的有紅硬性較高和耐磨性較好的粘結(jié)硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、涂層HSS、金剛石及立方氮化硼(CBN)等。近年來，還在Al2O3基體中添加20%～30%的SiC晶須，形成了“晶須增韌陶瓷”。SiC晶須的作用猶如鋼筋混泥土中的鋼筋，它能成為阻擋或改變裂紋發(fā)展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高，是一種很有發(fā)展前途的干切削刀具材料。<br /> 開發(fā)刀具涂層技術(shù) <br /> 適宜的刀具涂層不僅可以增強(qiáng)刀具的抗熱性能，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之間的摩擦系數(shù)，減少刀具磨損，而且能降低切削力和切削溫度，提高刀具壽命，并能改善加工表面質(zhì)量。因此，開發(fā)刀具涂層技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)干切削加工的關(guān)鍵之一。 <br /> 目前，干切削刀具涂層技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)：一是采用“軟”涂層，如德國(guó)Guhring公司開發(fā)的“MOVIC”軟涂層工藝，就是在刀具表面涂覆一層固體潤(rùn)滑劑-MoS2，這種涂層刀具表面有潤(rùn)滑功能，在加工時(shí)可減少切屑與刀具之間的摩擦，避免產(chǎn)生積屑瘤，提高刀具壽命。試驗(yàn)表明，在含9%Si的鋁合金上進(jìn)行干攻絲加工，未涂層絲錐只能加工20個(gè)孔，TiAlN涂層絲錐可加工1000個(gè)孔，而MOVIC涂層絲錐可加工4000個(gè)孔。二是采用軟/硬組合涂層，即先在刀具上涂上“硬”涂層(如TiN)，再在其上涂“軟”涂層(如MoS2)。如采用一種(Ti，Al)N+MoS2涂層的鉆頭干鉆削灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的深孔，刀具壽命高達(dá)1600min，而只涂TiN或TiCN涂層的鉆頭，其壽命分別為19.6min和44min。<br /> 優(yōu)化刀具幾何形狀 <br /> 在干切削加工中，刀具幾何形狀的優(yōu)化非常重要。標(biāo)準(zhǔn)刀具不宜采用干式切削，為此干切削加工應(yīng)選擇優(yōu)化的刀具幾何形狀，以減少加工中刀具與切屑間的摩擦。刀具幾何形狀優(yōu)化應(yīng)做到：、減少刀具/工件表面之間的接觸面積，如鉆頭應(yīng)減少倒錐和螺旋角；**、考慮刀具表面的*大潤(rùn)滑性，防止積屑瘤的產(chǎn)生。 <br /> 此外在干切削加工時(shí)，細(xì)顆粒上等硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具的切削刃口可作輕微的小鈍化，以其自身基體的強(qiáng)度來保持刃口的鋒利，達(dá)到降低切削溫度的目的。這不但可保持刀具的高性能，而且還可保持刀具的*佳使用壽命。 <br /> 采用MQL技術(shù) <br /> 在無法完全實(shí)現(xiàn)干切削的情形下，可采用“切削液*少量(Minimal Quantities of Lubricant，MQL)”技術(shù)來盡量減少切削液的使用量，MQL也稱為準(zhǔn)干切削(Near Dry Cutting)。這里的“切削液*少量”是指供給切削過程很少量的切削液(當(dāng)機(jī)床工作在*佳條件下時(shí)，切削液消耗量應(yīng)在50mL/h以下，而采用正常射流冷卻時(shí)的切削液消耗量可能超過6L/min)。 <br /> MQL技術(shù)主要有氣霧外部潤(rùn)滑和內(nèi)部冷卻兩種方式：氣霧外部潤(rùn)滑方式是將冷卻液送入噴射冷卻系統(tǒng)里面與氣體混合，在高壓下通過一個(gè)多頭噴嘴將霧化為毫微米級(jí)的氣霧不斷噴射到刀具表面，對(duì)刀具進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑；氣霧內(nèi)冷卻方式是直接將冷卻氣霧通過主軸和刀具送入切削區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。根據(jù)加工需要，可將內(nèi)、外氣霧兩種冷卻潤(rùn)滑方式配合使用，效果會(huì)更佳。 <br /> MQL技術(shù)*大的好處在于，如果使用恰當(dāng)，刀具、工件和切屑可保持干燥，這就避免了廢物處理的麻煩，所以把這種技術(shù)也稱為“干切削”是有道理的。目前，MQL技術(shù)主要用于在鑄鐵、鋼和鋁合金上進(jìn)行鉆孔、鉸孔和攻絲加工，以及深孔鉆削和鋁合金的端面銑削等。<br /> 采用合理的加工方式 <br /> 干切削加工由于不使用切削液，熱切屑容易滯留在切削區(qū)內(nèi)，增加工件、刀具及機(jī)床的熱度。如果熱量過大還會(huì)引起工件硬化以及刀具變形，使工件表面產(chǎn)生裂紋。因此，排屑就成為一個(gè)主要問題。但隨著加工技術(shù)的發(fā)展，采用合理的加工方式也可解決排屑問題。如將傳統(tǒng)的從上往下進(jìn)行的鉆削方式，改由從下往上鉆削可利用重力排屑，也無須一定壓力的切削液來輔助排屑。此外，利用抽吸系統(tǒng)可將切削區(qū)內(nèi)的潤(rùn)滑氣霧、氣體和切屑吸凈；利用噴氣系統(tǒng)也可改善排屑條件。在有些無法完全排屑的情況下，也可采用自動(dòng)、手動(dòng)相結(jié)合的排屑方法。 </p> <p> 除了上述幾種方法之外，還可采用其它一些措施：如選用合理的切削參數(shù)；提高刀具的設(shè)計(jì)與制造能力，因?yàn)閺?fù)雜的刀具幾何結(jié)構(gòu)可解決封閉空間的排屑問題以及減小切削力；使用具有排屑快速、有效的新式機(jī)床，以及研制專門用于干切削加工的機(jī)床等。<br /> 3、干切削加工技術(shù)的應(yīng)用：干切削曾是一種有爭(zhēng)議的加工方法，但隨著刀具材料、涂層技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)與工藝裝備的發(fā)展以及法律和市場(chǎng)的要求，美國(guó)、德國(guó)和日本等國(guó)家已進(jìn)行了大量的研究并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 </p> <p> 美國(guó)LeBLond Makino公司研究開發(fā)的“紅月牙”(Red Crescent)鑄鐵干切削技術(shù)就是利用陶瓷或CBN刀具進(jìn)行高速加工。由于切削速度和進(jìn)給量很高，產(chǎn)生的熱量很快聚集在刀具前端，使該處的工件材料達(dá)到紅熱狀態(tài)，其屈服強(qiáng)度下降，可大大提高切削效率。通常鑄鐵的金屬切除率(車削)為16cm3/min，而采用紅月牙干切削加工可使其提高到149cm3/min。該公司還發(fā)明了一種**工藝，可用硬質(zhì)合金刀具在切削速度達(dá)305m/min時(shí)對(duì)淬火鋼(&gt;50HRC)及鈦合金進(jìn)行干車削加工，切削熱由通過主軸的高壓冷卻氣體帶走，切削溫度可降至*低，每轉(zhuǎn)中刀具與工件接觸可限制在25%以內(nèi)。 </p> <p> 日本Syun-ichi Yamagata研究開發(fā)了鋼材的干式擠壓絲錐，與普通的濕式擠壓絲錐相比，可顯著提高絲錐壽命。如用普通擠壓絲錐加工冷卻軋鋼板上M4×0.7的通孔螺紋，加工約7,000個(gè)孔時(shí)，絲錐切削部分便產(chǎn)生磨損與粘結(jié)，使切削無法繼續(xù)進(jìn)行；而采用干式擠壓絲錐加工50,000個(gè)以上的孔也不會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)和顯著的磨損，絲錐還可繼續(xù)使用。使用結(jié)果表明：干式擠壓絲錐與普通擠壓絲錐相比，刀具壽命可提高幾倍或十倍。 </p> <p> 德國(guó)Guhring公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的鋁制零件進(jìn)行了高速干鉆削加工研究，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并樹立了良好的企業(yè)環(huán)保形象。此外，德國(guó)、芬蘭、英國(guó)等對(duì)高速齒輪干滾削、干式鏜削等加工方式也進(jìn)行了研究，并在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。 </p> <p> 目前我國(guó)的干切削主要是傳統(tǒng)的鑄鐵銑削加工，而對(duì)其它切削加工的干式加工方法的研究和應(yīng)用還很小。 </p>