干式切削加工技术及其应用
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摘要:干式切削加工有利于保护环境和降低生产成本,符合“绿色制造”概念,是金属切削加工的发展方向之一。本文讨论了干式切削刀具(包括刀具形状、刀具材料和涂层)的设计原则,介绍了干式切削在钻削、铣削和镗削加工中的应用实例。

1 引言

环境和资源问题是当今和未来人类社会实现可持续发展需要解决的主要问题。消除和减少环境污染危害已成为全人类的共识和行为准则。制造业是产生环境污染的主要来源之一。二十世纪九十年代以后,工业发达国家的机械制造业在政府环保立法和降低生产成本的双重压力下,提出了“绿色制造”的新概念。
在传统切削加工中,湿式切削占有主要地位。虽然使用切削液有利于降低切削温度、延长刀具寿命、提高断屑和排屑性能等,但由于切削液污染环境,危害操作者身体健康,因此其使用受到环保法规越来越严格的限制。此外,冷却装置及供液系统的安装、切削液的使用、储存、保洁、处理等过程十分繁琐,且成本很高。由于切削液的处理费用一般包含在间接费用中,因此常常被低估。据美国企业对加工成本的统计(见图1),在集中冷却加工系统中,切削液成本占加工总成本的14%~16%,而刀具成本只占2%~4%。近年来,世界各国(特别是工业发达国家)为了贯彻环境保护政策、降低加工成本,大力研究、开发和推广应用干式切削加工技术。据测算,如果20%的切削加工采用干式切削,总的制造成本可降低1.6%。新型刀具材料、涂层技术及设计工艺的发展使干式切削加工的实现成为可能,干式切削加工已成为未来金属切削加工的重要发展方向之一。

图1 加工成本构成

2 干式切削刀具的设计原则

设计干式切削刀具时,不仅应考虑适用刀具材料的选择或单纯采用涂层方法将传统刀具用于干式切削,而且应当综合考虑刀具材料、刀具几何形状和刀具涂层之间的相互兼顾和优化。不同的切削加工方式对刀具设计提出了不同要求,干式切削刀具必须满足以下条件:①刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性;②切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小;③刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热;④刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。
  1. 刀具几何形状
    有效散热是实现干式切削需要解决的关键问题。为尽量减小刀具加工时产生的切削热,刀具几何形状的设计应使刀具具有较小的切削力和摩擦力。
    深孔加工刀具切削中的主要问题是排屑困难,对于干式切削刀具这一问题更为突出,因此刀具几何形状的设计必须保证刀具良好的排屑性能:在切削力较小的情况下,可采用大前角和大圆度切削角的设计原则。
  2. 刀具材料
    干式切削刀具材料必须具有良好的耐高温性能。对于大前角刀具则必须采用高硬度材料。目前适合干式切削加工的刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。
    1. 超细颗粒硬质合金
      P类硬质合金具有良好的耐高温性,但并不适合所有的加工场合。超细颗粒硬质合金具有极好的韧性和刃口强度,可用于制作大前角刀具,用超细颗粒硬质合金材料制成的钻头、深孔钻、刀片等可用于干式切削加工。
    2. 立方氮化硼(CBN)
      CBN材料的硬度高达3200~4000HV,热传导率为1300W/m·K,具有良好的抗化学腐蚀性,且在1200℃的高温下具有良好的热稳定性。CBN的高耐热性和高红硬性使其非常适合用于干式切削。CBN刀具主要用于加工铸铁和淬火钢。采用CBN刀具进行干式切削可实现淬硬工件(淬火硬度60~70HRC)的以车代磨加工。用CBN刀具干式切削铸铁可大幅度提高切削速度,改善刀具寿命。
    3. 聚晶金刚石(PCD)
      PCD材料的硬度为7000~8000HV,约为CBN材料的两倍,其热导率可达2100W/m·K,热膨胀系数很小。PCD刀具切削时能迅速将切削热从刀尖传递至刀体内部,从而减小因刀具热变形引起的加工误差,避免刀具发生热损伤。PCD刀具主要用于加工铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等有色金属材料,也可用于加工耐磨性极好的高性能材料如纤维增强型塑料、金属复合材料、木材复合材料等。用PCD刀具干式切削铝合金可达到很高的切削速度和理想的刀具寿命,采用锋利的切削刃和大正前角进行干式切削时,可使切削压力和积屑瘤达到最小。
    4. 陶瓷和金属陶瓷
      陶瓷刀具具有良好的耐热性、高温硬度和化学稳定性,非常适合干式切削加工铸铁和淬火钢。金属陶瓷实际上是含钛基化合物、粘结剂为镍或镍钼的一类硬质合金。金属陶瓷刀具在加工硬度>40HRC 的工件时红硬性较差,主要适于加工高精度工件和表面质量要求较高的工件。
      陶瓷刀具的化学稳定性优于硬质合金刀具,可在较高切削速度下进行长时间切削加工。在陶瓷刀具中,Al2O3基陶瓷刀具的缺点是强度和韧性较低;与此相比,Si3N4基陶瓷刀具的高温机械冲击性能较好,但在加工钢材时化学稳定性欠佳。
  3. 刀具涂层
    涂层技术的发展是干式切削加工得以推广应用的重要条件之一。在干式切削过程中,刀具涂层可起到以下作用:①在刀具与被切削材料之间形成隔离层;②减少摩擦力及摩擦热;③通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击。刀具通过涂层处理,可实现固体润滑,减少摩擦和粘结,使刀具吸收热量减少,可承受较高切削温度。干切削刀具较多采用涂层,涂层厚度在1~5µm 之间。在各类涂层中,TiAlN涂层具有较好的耐热性能和高温性能,与TiN、TiCN涂层相比,由于添加了A1 元素,使刀具抗氧化性能显著改善,非常适合高速加工和干切削加工。在高温下连续切削时,TiAlN涂层的性能优于TiC 涂层四倍,其高温硬度不仅高于TiN涂层,且稳定性更好。图2 所示为采用不同涂层的刀具干切削灰口铸铁(Ø8mm,f=0.25mm,ap=3D)时的刀具寿命比较。

图2 不同涂层刀具干切削灰口铸铁时的寿命比较

3 干式切削的冷却与润滑

干式切削虽然可克服采用切削液加工的负面影响,但在某些加工场合,切屑与刀具分离时间较短,刀具和工件难以充分冷却;润滑条件差,排屑较为困难,影响加工质量。为解决这些问题,除可采用改善刀具设计、合理选择涂层等措施外,在必要时还可采用准干式切削方式,即在加工中采用风冷或微量冷却(润滑)等方法。干式切削时,可采用压力约6巴的压缩空气(或冷风)辅助冷却及排屑(车削时可采用-20℃冷风;磨削时可采用-30℃冷风加少量润滑油;钻削时可采用喷雾冷却及润滑)。在微量混合润滑系统(MML)中,由于在压缩空气中添加了少量高性能润滑剂,尽管流量很小(5~50ml/h),仍可起到防止刀具冷焊(如加工铝件时粘刀)的作用。图3 所示为用TiN涂层硬质合金钻头进行钻削时(Ø11.8mm, f=0.2mm),分别采用干式切削、MML和湿式切削时切削温度随切削速度变化的对比情况。由图3可知,与完全干式切削相比,采用MML 可明显降低切削时的刀具温度。

图3 采用不同切削方式时切削温度变化情况

4 干式切削的应用

由于采用干式切削有利于环境保护,且可降低加工成本(可节省加工费用10%~15%),因此干式切削加工技术的研究开发在欧美和日本受到高度重视,目前欧洲约10%~15%的批量机械加工已采用干式切削加工,且已应用于钻削、铣削、镗削等加工方式。
  1. 干式钻削
    1. 普通钻头
      干式钻削加工除要求采用热稳定性好的刀具材料(如细颗粒硬质合金等,钻头直径较小时可采用钴高速钢)和优化的刀具几何形状外,还需要采用隔热性好的刀具硬涂层(如TiAlN涂层)。为进一步提高干式钻削刀具的加工性能,德国Guhring公司开发了一种新型M-涂层,即在硬涂层外面再加涂一层软涂层。这种M-涂层在干式钻削钢件时优势明显。图4为采用TiAlN涂层和M-涂层的M10高速钢丝锥加工AlSiCu3材料时(vc=30m/min)加工寿命的对比。

      图4 不同涂层钻头加工寿命比较

      图5 ALPHA22深孔钻钻尖形状
    2. 深孔钻头
      德国Titex公司开发了一种用于深孔干式加工的特殊深孔钻“ALPHA22”(钻尖形状见图5)。该钻头材料为含钴量较高的超细颗粒硬质合金,钻头刃形经过专门优化,适用于干式加工孔深l=(7~8)d的深孔。


    图6 发动机缸体的干式铣削

    图7 Si3N4粗镗刀
  2. 干式铣削
    1. 细颗粒硬质合金铣刀片
      为了实现干式铣削加工,需要研究开发专用刀片及涂层。如Sandvik公司为干式铣削加工设计了多种专用刀片,其中较典型的有带厚型氧化铝涂层的细颗粒硬质合金刀片。
    2. 陶瓷、CBN、PCD铣刀片
      陶瓷、CBN、PCD材料刀片用于干式铣削加工可大大提高切削速度。陶瓷刀片和CBN刀片一般用于铣削灰铸铁工件(如发动机缸体,见图6);PCD刀片一般用于铝合金和非金属材料的铣削加工。
  3. 干式镗削
    采用氮化硅陶瓷刀片对发动机缸体上的缸孔进行干式粗镗加工,可显著提高加工效率。如用Si3N4镗刀片(见图7)粗镗Ø72mm 缸孔时,转速可达3200r/min,进给量为0.75mm/r,加工一个缸孔只需5 秒钟。切削时产生的大量切削热被刀具和切屑带走,减少了工件的热变形。
本文作者:上海大众汽车有限公司 张书桥
原载:《工具技术》2002年第2期
上载于:2007-7-26 6:55:42

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