摘要：干式切削是一種綠色制造工藝技術(shù)，它已成為金屬切削加工發(fā)展的趨勢之一。文中分析了干式切削加工對(duì)刀具的要求，討論了刀具材料的選擇并結(jié)合實(shí)例分析了干式切削技術(shù)在銑削中的應(yīng)用。
　　
　　1 前言
　　
　　現(xiàn)今大部分的金屬切削加工是以使用切削液的濕式方式進(jìn)行的。切削液具有冷卻、潤滑、清洗、排屑、防銹等功能，對(duì)延長刀具使用壽命，保證加工質(zhì)量起著重要的作用。但是近幾年隨著人類社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，人們開始關(guān)注切削液所帶來的一系列負(fù)作用。一方面，切削液的廣泛使用需消耗大量的能源和資源，增加加工成本。據(jù)德國許多公司統(tǒng)計(jì)計(jì)算的資料表明，使用冷卻液費(fèi)用占總制造成本的16 % ，而切削刀具消耗的費(fèi)用只占成本的3～4%。另一方面，切削液對(duì)環(huán)境的污染較為嚴(yán)重，甚至危害工人健康。為使金屬切削加工盡可能少地產(chǎn)生污染，人們提出了“清潔化生產(chǎn)”這一概念。干切削是消除切削液污染，降低產(chǎn)品成本，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的最有效的途徑。要實(shí)現(xiàn)干式切削，必須合理選擇刀具材料，設(shè)計(jì)合理的刀具幾何參數(shù)。干式切削技術(shù)已成為金屬切削加工發(fā)展的趨勢之一。近年來，它在車削和銑削中的應(yīng)用已日益普遍，在鉆削、鏜削和滾齒方面也取得了重大的突破。本文結(jié)合工作實(shí)際，僅就干式切削技術(shù)在不銹鋼銑削中的應(yīng)用進(jìn)行論述。
　　
　　2 干式切削加工對(duì)刀具的要求
　　
　　切削刀具的性能取決于刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)。不同加工方法對(duì)刀具的設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)有所不同。對(duì)于干式切削加工刀具必須具備下述性能：(1)刀具應(yīng)具有較高的耐熱性和良好的耐磨性。(2)切屑和刀具之間的摩擦系數(shù)要盡可能小。(3)刀具形狀要保證排屑流暢和易于散熱。(4)刀具應(yīng)具有更高的強(qiáng)度和耐沖擊韌性。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)工件材料的物理、力學(xué)性能和工序特點(diǎn)，合理選用刀具材料、涂層，優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)，并注意刀具材料與工件材料的匹配，才能設(shè)計(jì)和制造出適用于干式切削的刀具。
　　
　　1) 干式切削加工的刀具材料
　　
　　干式切削時(shí)刀具材料最重要的是必須具各高的紅硬性和高的耐沖擊性。目前適用于干式加工的刀具材料有超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷及金屬陶瓷材料、金剛石(PCD)及立方氮化硼(CBN)等。
　　
　　a. 超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金
　　
　　通常用的普通硬質(zhì)合金脆性大、易崩刃。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金可以提高普通硬質(zhì)合金的韌性，具有很好的耐磨性和耐高溫性能，可用于銑削和鉆削加工。
　　
　　b. 涂層硬質(zhì)合金
　　
　　涂層刀具最適用于干式切削加工，因?yàn)檫m宜的涂層既可承受高的切削溫度，降低刀具/切屑以及刀具/工件表面之間的摩擦系數(shù)，減小刀具磨損和產(chǎn)生的熱量，還可使刀具具有強(qiáng)韌的基體及滿足切削要求的切削刃或工件表面。因此，適宜的基體與涂層組合及經(jīng)濟(jì)可行的涂層工藝技術(shù)是干式切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的涂層基體材料主要是硬質(zhì)合金。涂層材料主要有TiC、TiN、TiAlN、金剛石等。其中TiAlN 涂層是干式切削加工時(shí)最好的涂層之一。如SECO公司開發(fā)的用于干式銑削的涂層硬質(zhì)合金刀片：T150M、T25M 、F20M、F40M 。見表1。
　　
　　表1 涂層硬質(zhì)合金刀片的種類和應(yīng)用范圍
　　刀刀種類 涂層材料 應(yīng)用 切削液使用
　　T15OM Ti(C, N)+Al2O3 灰口鑄鐵/球墨鑄鐵 干切削
　　T25M TiC/Ti(C, N)+TiN 碳鋼/不銹鋼 濕/干切削
　　F20M Ti(C, N)+(Ti, Al) N+TiN 不銹鋼 干切削
　　F40M Ti(C, N)+(Ti, Al) N+TiN 不銹鋼 濕/干切削
　　
　　
　　c. 陶瓷及金屬陶瓷
　　
　　陶瓷刀具由于高耐熱性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，非常適合于干式加工鑄鐵和淬火鋼。但其韌勝差，易折斷，在很大程度上限制了它在干式切削中的應(yīng)用。為了解決這一難題，國外已開發(fā)了一些新型氧化鋁陶瓷刀片。如日本學(xué)者開發(fā)的一種用微細(xì)顆粒(0.22µm)、高純度(99.99 %)的新型氧化鋁陶瓷粉末制造的陶瓷刀片，在干車、干銑碳鋼和鑄鐵件時(shí)具有優(yōu)異的切削性能。
　　
　　金屬陶瓷是硬質(zhì)合金的種類型，它含有鈦基化合物，粘結(jié)劑是鎳或鎳相。金屬陶瓷刀具適合于干式切削。以往對(duì)硬質(zhì)磨具通常采用磨削或電火花加工，現(xiàn)在可用金屬陶瓷刀具進(jìn)行干銑加工，不僅提高了工效，表面質(zhì)量也得到了提高。
　　
　　d. CBN
　　
　　CBN材料具有韌性好，高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，硬度高的特點(diǎn)，硬度高達(dá)3200～4000HV ，僅次于金剛石。因此很適合干式切削鑄鐵和淬火鋼。SECO公司開發(fā)了一系列的CBN刀片，如適用于高速銑削淬硬鋼的CBN20刀片；適用于干式粗、精銑珠光體灰口鑄鐵和球墨鑄鐵的CBN300刀片。CBN300是從CBN30 基礎(chǔ)上用特殊工藝改變顆粒尺寸大小得到的抗沖擊牌號(hào)，其晶粒尺寸為22µm 。這一種純燒結(jié)體，PCBN含量(90%)較高，具有很好的耐磨性、優(yōu)良的導(dǎo)熱性和抗沖擊性，同原先已有的PCBN產(chǎn)品相比，是一種新的更成熟的PCBN產(chǎn)品。
　　
　　e. PCD
　　
　　PCD刀具具有硬度高、熱傳導(dǎo)率大、線膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)。PCD刀具適用于干式精加工銅合金、鋁及鋁合金、復(fù)合材料等。用PCD刀具干式加工鋁合金可以達(dá)到很高的切削速度和很長的刀具使用壽命。但是PCD刀具與鐵元素反應(yīng)大，只能用于切削非鐵零件。另外，PCD刀具不能經(jīng)受切削區(qū)超過600℃的高溫，因此，它不能切削韌性、高延展性材料。
　　
　　2) 刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)
　　
　　干式切削時(shí)，刀尖和刃口材料承受的熱負(fù)荷大大增加，容易產(chǎn)生各種刃口損傷．最終導(dǎo)致刀具失效。為了保證工件加工質(zhì)量和刀具壽命，要求刀具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮加工時(shí)產(chǎn)生的切削力和摩擦力要小，排屑效應(yīng)要好。干式切削刀具必須對(duì)刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如①設(shè)計(jì)使刀具為負(fù)前角或使前后刀面凸起，以延緩月牙洼對(duì)刀刃的損害。②增大負(fù)刃傾角，改善刀刃及刀尖的切入狀態(tài)，以提高刀具的抗沖擊和抗熱震能力等等。歐洲的一些刀具制造商已開發(fā)出許多有利于干式切削幾何形狀的刀具可供選用。如SECO公司設(shè)計(jì)的ME型斷屑槽的八角形銑刀片采用了能有效控制切屑形成和排屑的斷屑槽，專門適用于干式銑削。
　　
　　3 干式切削的冷卻和潤滑
　　
　　在有些場合(如深孔鉆削、攻絲等)要實(shí)現(xiàn)不用切削液的完全干式切削是困難的，因此，完全干式切削工藝的應(yīng)用范圍有一定限制，這時(shí)可采用最少量潤滑(MQL)的準(zhǔn)干式切削方式和冷風(fēng)切削。
　　
　　最少量潤滑，也稱噴霧潤滑，它是用壓縮空氣使微量的植物油霧化，并以很高的速度噴向高溫的切削區(qū)，可以起到冷卻、潤滑和排屑的作用。植物油的用量是濕式切削的萬分之一。同等用量所吸收的熱量是澆注法的1000倍，因而大大減低了切削液成本。冷風(fēng)切削是利用壓縮空氣進(jìn)行冷卻和排屑，部分代替了切削液的功能，但一般與MQL并用，以提高潤滑效果。
　　
　　4 干式切削在銑削中的應(yīng)用
　　
　　一般情況下我們習(xí)慣于在銑削中尤其是在立銑加工中加注冷卻液，但在銑削中加注冷卻液會(huì)使刀具產(chǎn)生溫度的激烈變化，銑刀刀片自工件切出時(shí)冷卻，再切入時(shí)溫度又上升。溫度急劇變化在刀片中產(chǎn)生應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。盡管在干銑時(shí)也有加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生，但相比之下要小得多，可以通過合理選擇刀具材料、結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)得到解決。對(duì)于銑削加工采用干式切削可以得到比濕式切削理想的切削效果。以下是干式銑削加工的典型應(yīng)用實(shí)例。
　　
　　1) 涂層硬質(zhì)合金F20M干銑不誘鋼閥門座(工件材料：CF -8M ，不銹耐酸鑄鋼)
　　
　　某廠在加工不銹鋼閥門座底面時(shí)原先采用SECO公司的T25M(CVD涂層)刀片濕式粗銑和精銑，由于生產(chǎn)批量的急劇上升，刀具壽命的矛盾就顯得比較突出。該廠用于粗銑的銑刀刀盤型號(hào)為R220.43-0080-07W(主偏角43°，直徑80mm) ，所選用的刀片涂層等級(jí)為T25M，刀片型號(hào)為OFER070405TN-ME15(八角形邊長7mm的銑刀片)。粗銑切削參數(shù)：Vc=130m/min，fz=0.1mm/z，ap=2～3mm，ae=80%，每個(gè)切削刃的刀具壽命4～6件。精銑切削參數(shù)：Vc=250m/min，fz=0.16mm/z，ap=0.7～0.8mm，ae=80%。每個(gè)切削刃的刀具壽命：12～16件。工廠要求粗鐵加工提高刀具壽命，第一次改進(jìn)后選用與原先相同的切削參數(shù)，采用SECO公司的F40M(PVD物理涂層)刀片濕式粗銑，刀具壽命為9～10件。這個(gè)結(jié)果仍沒有達(dá)到廠方希望的目標(biāo)。據(jù)國外同行介紹用干切的辦法加工不銹鋼可使其刀具壽命大大提高，可超過20件。最后采用SECO公司的F20M(PVD物理涂層)刀片干式粗銑，刀片型號(hào)為OFEN070405TN-D18(斷屑槽為D18 ，難加工型)。切削參數(shù)：Vc=180m /min，fz=0.16mm/z，ap=2～3mm。每個(gè)切削刃的刀具壽命：24～28件。其結(jié)果是刀具壽命大幅度提高。
　　
　　分析：切削力和切削溫度的變化關(guān)系是一根駝峰曲線。當(dāng)切削溫度高至超越駝峰時(shí)，隨著切削溫度的進(jìn)一步提高，切削力會(huì)下降，使得切削變得相對(duì)容易，故刀具壽命提高。而如果在此時(shí)加人冷卻液，會(huì)使切削區(qū)溫度下降，導(dǎo)致切削力上升，磨損加劇，使刀具壽命降低。而在切削力、切削溫度關(guān)系曲線駝峰的左方，情況則是相反，添加冷卻液會(huì)引起切削力的降低，使得切削輕決．刀具壽命改善。但通過切削試驗(yàn)來確定該關(guān)系曲線是一項(xiàng)工作量浩大的工程，這方面的工件有待進(jìn)一步地深入。
　　
　　2) 涂層硬質(zhì)合金T150M干式切削鑄鐵排氣管端面
　　
　　上海某汽車零部件加工企業(yè)在加工上海通用汽車公司別克轎車的排氣管時(shí)，采用SECO公司的T150M 黑色涂層硬質(zhì)合金刀片干式銑削鑄鐵排氣管端面。與原先采用另一公司的陶瓷刀片相比，生產(chǎn)效率明顯提高，刀具壽命每個(gè)刃口超過100 件。刀盤型號(hào)：R220.43-0088-S(直徑88mm，齒數(shù)：z=5) ；刀片涂層等級(jí)：T150M ；刀片型號(hào)：OFET070405TN-16；切削參數(shù)：n=11OOr/min ，ap=1～1.2mm，Vf=600mm/min。每個(gè)切削刃的刀具壽命大于100個(gè)工件。四方形的陶瓷刀片只有4個(gè)刃口，價(jià)格比硬質(zhì)合金的八角形刀片高，而且刃口只有八角刀片的一半，經(jīng)濟(jì)性更差。
　　
　　3) PCBN刀具干銑灰口鑄鐵缸體平面
　　
　　SECO公司開發(fā)的整體結(jié)構(gòu)PCBN刀片系列的CBN300在干式銑削灰口鑄鐵缸體平面時(shí)表現(xiàn)了不凡的特勝，其刀具壽命為一般PCBN刀片的4倍而對(duì)于陶瓷刀片來說，CBN300可以提高50 倍刀具壽命。CBN300已成功運(yùn)用于上海通用汽車公司新建成的發(fā)動(dòng)機(jī)柔性生產(chǎn)線上干式銑削灰口鑄鐵缸體平面，銑削速度可達(dá)1600m/min，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的加工效率。刀片型號(hào)SNMN090312S；刀盤型號(hào)：R22033-0100-12CT(z=8)，切削參數(shù)：ae=80mm，ap=4～5mm，fz=0.15mm，Vc=1600m/min。每個(gè)切削刃的刀具壽命：170件。
　　
　　5 結(jié)論
　　
　　干式切削加工是一種理想的清潔制造工藝方法。國外對(duì)干式切削加工的研究和應(yīng)用已比較廣泛，我國在此項(xiàng)技術(shù)上同國外相比有很大的差距。但以上的成功應(yīng)用實(shí)例可以表明，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，干式切削加工在我國是可以實(shí)現(xiàn)的，并隨著在車削和銑削中的廣泛應(yīng)用，必將推動(dòng)在其它加工方法中的應(yīng)用。當(dāng)然，干式切削技術(shù)的發(fā)展，必須依托于先進(jìn)的刀具結(jié)構(gòu)和刀具材料。相信隨著干式切削技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用，我國的切削加工效率和加工質(zhì)量都將達(dá)到一個(gè)新的水平。