干切削的关键技术及其应用

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1目录一、研究现状................................................................................................................2二、刀具技术................................................................................................................22.1刀具材料........................................................................................................................22.2刀具涂层........................................................................................................................32.2.1涂层介绍..................................................................................................................32.2.2涂层对刀具的影响..................................................................................................42.2.3涂层对加工表面质量的影响..................................................................................52.3刀具结构.........................................................................................................................52.3.1刀具结构设计准则..................................................................................................52.3.2刀具机构优化的应用..............................................................................................5三、机床技术................................................................................................................63.1干切削对机床的要求.....................................................................................................63.2干切削机床机构设计.....................................................................................................63.2.1干切削机床支撑件的设计......................................................................................73.2.3主轴的设计..............................................................................................................73.2.4排屑机构的设计......................................................................................................7四、工艺技术................................................................................................................7五、总结........................................................................................................................8参考文献........................................................................................................................92一、研究现状在目前的加工制造过程中，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却的干切削系统，从空气中提取高纯度氮气，在常温下以5~6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；北京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3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。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HV3200~4000，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CBN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2.2.1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。常用的涂层基体主图1材料硬度与温度的关系4要是硬质合金、高速钢等，涂层材料主要是TiC、TiCN、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作为涂层材料。TiAlN涂层硬度2300~3500HV，热膨胀系数为6.5×10−6~7.5×10−6，耐热性700~800℃，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。（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。图252.2.3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