干切削機床與刀具技術(shù)介紹

1、干切削機床與刀具技術(shù)介紹切削加工，作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工藝，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，進入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。其主要趨勢有四個方面：（1）高速切削將成為切削加工的新工藝。（2）實現(xiàn)難加工材料（如奧氏體不銹鋼、高錳鋼、淬硬鋼、復(fù)合材料、耐磨鑄鐵等）加工技術(shù)的重大突破。（3）滿足制造業(yè)對切削加工新技術(shù)和新產(chǎn)品需求。（4）環(huán)境保護對切削加工行業(yè)提出要求。實行“綠色工程”，開發(fā)“綠色制造技術(shù)”是新世紀(jì)切削加工發(fā)展的重要課題。切削加工中的切削液對環(huán)境的污染、對操作者健康的傷害將成為治理重點。而隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，切削液用量越來越大。高生

2、產(chǎn)率的生產(chǎn)企業(yè)中切削液在生產(chǎn)成本中所占比例上升為13至17，因此高速切削派生的干切削應(yīng)運而生，為新世紀(jì)提供一種清潔、高效、安全的新的切削方法，是對切削技術(shù)包括刀具材料、涂層、結(jié)構(gòu)的全面更新。干切削的關(guān)鍵技術(shù)包括：干切削機床、干切削刀具、刀具涂層技術(shù)、以及最小潤滑技術(shù)等等。1 干切削機床技術(shù)干切削機床是從濕切削機床發(fā)展而來，拋棄了濕切削機床污染環(huán)境的缺點，必然導(dǎo)致了其整體結(jié)構(gòu)及布局的變化。主要體現(xiàn)在其對機床的隔熱性能、排屑速度、吸塵效果和機床的基礎(chǔ)件的三剛性要求等各方面有了更高的要求。（1）干切削下機床面對的挑戰(zhàn)切削液的主要作用是：冷卻、潤滑和排屑。由于沒有切削液，干切削會產(chǎn)生以下幾種情況：切削

3、過程中會產(chǎn)生比濕切削更多的熱量，而這些熱量主要集中在切屑中，如不及時地從機床的主體結(jié)構(gòu)中排出，就會使機床產(chǎn)生嚴重的熱變形，影響工件的加工精度和機床工作的可靠性。在干切削石墨電極等材料時會產(chǎn)生大量粉塵，如不能及時清除，會對操作工人的身體健康造成嚴重損害，同時細微顆粒也會侵入絲杠、軸承等關(guān)鍵部件，加大機床的磨損以及影響機床的加工精度和可靠性。由于沒有切削液的潤滑，干切削中的切削阻力會大大增加，相應(yīng)的振動會增加。（2）干切削機床的特性由于干切削會產(chǎn)生前面所提到的情況，所以，干切削機床必須具有良好的散熱、排屑及吸塵裝置和具有良好三剛性的基礎(chǔ)部件。為了排屑方便，干切削機床應(yīng)盡可能采用立式主軸、傾斜式床身

4、。工作臺四周采用傾斜的隔板，有助于熱切屑墜入排屑槽中，排屑槽采用隔熱材料，防止切屑熱量傳給機床部件，而且排屑槽輸出速度要快。而堆積在機床工作臺和其它支承部件上的熱切屑會造成機床的熱變形，所以需要一個吹氣系統(tǒng)直接作用在工作臺和夾具上，加速切屑墜入排屑槽中。由于干切削會在加工區(qū)產(chǎn)生非常高的熱量，會影響切屑的成型。過熱的高溫會導(dǎo)致形成帶狀和纏結(jié)狀的切屑，影響加工精度和降低工件表面質(zhì)量。所以還有必要在加工區(qū)設(shè)置溫度傳感器，用以監(jiān)控機床溫度場的變化情況。為了防止粉塵集聚，在加工區(qū)應(yīng)具有抽風(fēng)裝置，將加工產(chǎn)生的粉塵抽出到機床外部的過濾裝置，避免污染環(huán)境。機床的基礎(chǔ)件（即立柱、床身、工作臺）的靜剛度、動剛度和

5、熱剛度要大。如床身可采用人造花崗巖等新材料整體制造，不僅三剛性好，而且減振效果明顯。2 干切削刀具干切削由于不使用切削液，在加工區(qū)會產(chǎn)生比濕切削更多的熱量，同時工件材料的粘性也會加大。這些因素會大大縮短刀具壽命和降低工件表面質(zhì)量。所以干切削刀具在干切削過程中具有舉足輕重的地位。干切削刀具材料不僅要有很高的紅硬性和熱韌性，還必須要有良好的耐磨性、抗熱沖擊和抗熱粘性。對刀具材料、涂層技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)有更高的要求。（1）干切削刀具材料陶瓷刀具（AL2O3，SI3N4）、金屬陶瓷（CERAMET）等材料的硬度在高溫下變化不大，具有很好的紅硬性，因此很適合于一般切削加工，作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工

6、藝，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，進入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。其主要趨勢有四個方面：（1）高速切削將成為切削加工的新工藝。（2）實現(xiàn)難加工材料（如奧氏體不銹鋼、高錳鋼、淬硬鋼、復(fù)合材料、耐磨鑄鐵等）加工技術(shù)的重大突破。（3）滿足制造業(yè)對切削加工新技術(shù)和新產(chǎn)品需求。（4）環(huán)境保護對切削加工行業(yè)提出要求。實行“綠色工程”，開發(fā)“綠色制造技術(shù)”是新世紀(jì)切削加工發(fā)展的重要課題。切削加工中的切削液對環(huán)境的污染、對操作者健康的傷害將成為治理重點。而隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，切削液用量越來越大。高生產(chǎn)率的生產(chǎn)企業(yè)中切削液在生產(chǎn)成本中所占比例上升為13至17

7、，因此高速切削派生的干切削應(yīng)運而生，為新世紀(jì)提供一種清潔、高效、安全的新的切削方法，是對切削技術(shù)包括刀具材料、涂層、結(jié)構(gòu)的全面更新。干切削的關(guān)鍵技術(shù)包括：干切削機床、干切削刀具、刀具涂層技術(shù)、以及最小潤滑技術(shù)等等。  1）干切削刀具材料陶瓷刀具（AL2O3，SI3N4）、金屬陶瓷（CERAMET）等材料的硬度在高溫下變化不大，具有很好的紅硬性，因此很適合于一般目的干加工而無須冷卻液。但是這類材料一般較脆，即熱韌性不好，故不適用于進行斷續(xù)切削。也就是說，陶瓷刀具較適用于進行干車削而不適用于干銑削。立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石（PCD）、超細晶粒硬質(zhì)合金等各具特點的超硬刀具材料也日益

8、廣泛使用于干切削。2）干切削刀具的涂層技術(shù)干切削刀具涂層技術(shù)是在刀具的刀體上涂上一層或多層不同性質(zhì)的材料，從而具有對刀具整體性能的加強和提高的作用。涂層材料的化學(xué)穩(wěn)定性好、紅硬度高、絕熱性好等優(yōu)點而且能減少刀刃與工件表面的磨擦，起到潤滑液的作用。刀具涂層技術(shù)發(fā)展迅速，涂層材料多達15種，有的刀具在刀體上的涂層多達13層。例如，日本三菱重工業(yè)公司的CNCGIVIDA滾齒機是日本第一臺采用全干切削技術(shù)的機床，用涂特殊鈦的高速鋼滾刀。而德國柏林大學(xué)進行的采用PCD涂層刀具（HCPCD）和未采用涂層的刀具（HW）的干車削對比實驗研究表明，涂層刀具（HCPCD）在車削過程的切削力、推力以及進給力都小于未

9、涂層刀具（HW）。研究使用了原子力顯微鏡來分析刀具的內(nèi)部晶體的形態(tài)、特征、孔隙度以及分層粗糙度。從PCD涂層的原子力顯微鏡照片看出其晶體具有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)。研究得出PCD涂層刀具的耐磨性好于未涂層的刀具。PCD涂層較小的摩擦系數(shù)意味著它較適合干切削。涂層刀具可分二大類：一類是“硬”涂層刀具，如TIN，TIC和AL2O3等涂層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂層刀具抗后刀面磨損的能力特別強；而TIN涂層刀具則有較高的抗“月牙洼”磨損能力。另一類是“軟”涂層刀具，如：MOS2，WS等涂層刀具。這類涂層刀具也稱為“自潤滑刀具”，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01左右，能減少切削力

10、和降低切削溫度。例如瑞士開發(fā)的“MOVIC”涂層絲錐，刀具表面涂覆有一層MOS2。切削實驗表明，未涂層絲錐只能加工20個螺孔；用TIALN涂層絲錐時可加工1000個螺孔，而MOS2涂層的絲錐可加工4000個螺孔。而最近的研究表明金剛石涂層SI3N4刀具比未涂層SI3N4刀具的加工光潔度提高一級，使用壽命提高10倍以上。TIALN是干切削常用的涂層材料，當(dāng)它與MOS2為基的“MOVIC”“軟”涂層結(jié)合起來可去得更好的效果。如表所示對熱處理鋼鉆孔的實驗結(jié)果表明，TIALNMOVIC涂層刀具比TIN涂層刀具使用壽命提高了4倍，比TIALN涂層刀具使用壽命提高了1.66倍。（3）干切削刀具的結(jié)構(gòu)和幾何

11、參數(shù)采用干切削還應(yīng)根據(jù)不同的加工條件考慮優(yōu)化刀具的結(jié)構(gòu)和凡何參數(shù)。刀具的兒何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足十切削對斷屑和排屑的要求。眾所周知，斷屑槽在韌性材料加工中對斷屑起著很關(guān)鍵的作用?？舍槍Σ煌墓ぜ牧虾颓邢饔昧?，設(shè)計相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，提高切削工程中切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。而在封閉空間進行干切削（如干鉆削、干鉸削、干攻絲等）時，則應(yīng)增大刀具的容屑槽空間和背錐  例如德國的WZL（WERKZEUGMASCHINENLABORRWTHAACHEN）試驗得出，在用硬質(zhì)合金鉆頭（HCP涂層TIN）干鉆削回火鋼【CK45K（ALSI1045）】，孔深30MM孔徑11.8MM

12、，切削速度：VC80MMIN，每次進給量F0.2MM時，標(biāo)準(zhǔn)鉆頭只能鉆削約400個孔，而經(jīng)過優(yōu)化加寬鉆頭排屑槽幾何形狀的鉆頭可鉆削高達2200個孔，優(yōu)勢明顯。  另外，干切削還可采用一些特殊的刀具（如熱管刀具和自冷卻刀具）來降低刀具溫度，提高刀具的耐用度。（4）準(zhǔn)干切削與最小潤滑技術(shù)近年來干切削急速發(fā)展，在對不能用純粹的干切削加工的材料加工時，可采用最小潤滑技術(shù)（MINIMALQUANTITIESOFLUBRICATION（MQL）進行切削。這種使用微量冷卻液的方法被稱為“準(zhǔn)干切削”?！捌眹婌F冷卻切削就是一種典型的“準(zhǔn)干切削”。該方法是將一定壓力（0.31MPA）的壓縮空氣與微量

13、的潤滑液（50125MLH）混合霧化后形成油霧，然后高速噴射到切削區(qū)，對加工接觸面進行充分有效的潤滑，同時液體氣化吸收大量的熱量，工件仍然保持表面干燥團。MQL方式分以下三種：1）內(nèi)部潤滑；2）外部潤滑；3）介質(zhì)潤滑。   眾所周知，高速銑削鋁合金、銅合金等輕合金具有切削力和切削功率小、切屑短、切削不蜷曲等獨到的優(yōu)勢。用涂層硬質(zhì)合金、多晶金剛石等刀具在高速下切削輕合金材料，刀具磨損小，可以達到很高的刀具壽命；而在切削熔點低、高速下粘性大的材料則需要采用最小潤滑（MQL）和涂層刀具的方法，在近乎完全干切削的情況下，可采用很高的切削速度和進給速度進行加工，切削速度可高達1000

14、7500MMIN，不用再經(jīng)過任何加工或手工研磨，零件即可得到很高的表面質(zhì)量。例如德國的（WERKZEUGMASCHINENLABORRWTHAACHEN）試驗得出，采用硬質(zhì)合金刀具【HC涂層（TIALNMOS2）】鉆削鋁合金（ALSI9CU3）孔徑8.5MM，盲孔（BLINDHOLE）深30MM切削速度VC300MMIN，每次進給量F0.5MM該實驗中進行完全干鉆削的刀具只加工了16個孔，而采用了MQL技術(shù)的刀具加工了128個孔，是前者的8倍之多。由此可見在加工鋁合金時，完全有必要采用MQL技術(shù)。IIA 干切削作為一種新的切削工藝與高速切削是相輔相成的。它不僅降低了切削成本，也避免了環(huán)境的污染。干切削技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，涉及刀具、機床、工藝、材料和生產(chǎn)管理諸多方面的改革和創(chuàng)新。必須強調(diào)一點，干切削是把切削刀具、加工中心結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工策略等要素綜合于一體的加工新工藝。針對不同的切削條件和切削材