干式切削規律的研究

摘要 金屬切削過程中，一般采用切削液進行冷卻、潤滑及排屑，但切削液會造成成本增加、環境污染和對操作者造成傷害。而干式切削可完全消除切削液帶來的負面影響，但干式切削對刀具的材料、幾何參數和切削用量等都有一定特殊要求。本文對干式切削規律進行初步探索。

關鍵詞 切削液;干式切削;刀具耐用度;切削用量

1 切削液對金屬切削過程的影響

金屬切削液作為機械加工重要的輔助材料，它在機械加工中主要起冷卻、潤滑、清洗和防銹4個作用。在現有的金屬切削加工中，切削液仍是主要的冷卻方法。然而，隨著切削液的大量使用，切削液排放已經帶來很重的經濟負擔、環境污染和人身健康傷害等問題。

1)增加制造成本。美國的統計數據顯示，與切削液使用有關的花費占總制造費用的16%，是刀具費用的3～4倍。當然，切削液的費用還應包括為保護環境而使企業承擔的保健費用。德國汽車制造業的調查數據顯示，把切削液和有關設備費、能耗費、處理費、人工費、維修費、材料費都加在一起達到全部工件總加工成本的7%～17%，而全部刀具費用僅為總制造費的2%～4%。由此可見，切削液的成本已數倍于刀具的成本[1]。

2)引起環境污染問題。在使用切削液較多的工序中，切削液會污染工作環境，工作區常常彌漫著較大的異味，造成空氣污染、水污染等環境問題。例如未處理的乳化液通常含油量高達2 000 mg/L，化學耗氧量(COD)高達18 000 mg/L，生物耗氧量(BOD)達9 300 mg/L。此外還含有大量的亞硝酸鈉、三乙醇胺等緩蝕劑和表面活性劑。當河、湖水中含油達0.01 mg/L，就會使魚苗發育畸形，使魚肉帶有異味，稍多時魚類就會死亡;油污染還會抑制藻類的呼吸和光合作用等，嚴重影響動植物的生長，破壞生態環境。而我國僅機械工業廢乳化液的日排放量據不完全統計已近億噸，可見其問題的嚴重性。

3)損害工人健康。在切削過程中，切削液受熱揮發，形成蒸汽、霧氣以及切削液中會滋生細菌，引起工人呼吸道和肺部的諸多疾病;切削液與人體直接接觸，會誘發多種皮膚病，損害操作者的健康。

據估計，今后切削加工仍將占據機械加工總量的90%以上，而切削液的使用帶來如上諸多的負面問題，因此，面對降低生產成本、改善生產條件和可持續發展的要求，更迫于有關法律的壓力，研究綠色加工技術將是機械制作業必須重視的課題。

目前，綠色加工技術的研究方向主要有高速干切削、準干式切削(微量潤滑)、液氮冷卻、射流冷卻、替代冷卻液等。現有的對高速干切削的研究和應用主要針對銑削、鏜削工藝，對車床的研究很少，原因是銑、鏜工藝時工件是固定不動的(相對于夾具)，刀具旋轉，容易實現高速切削。而車削則是工件旋轉，刀具移動，在高速情況下，不同工件的尺寸、重量和不平衡質量都會在較大的范圍內變動，并且這些參數在切削過程中還將發生變化，這就要求高速車床的主軸系統有更高、更可靠的動態特征性和自平衡能力。這也是高速車床或車削中心至今很少的一個主要原因。而在整個切削加工中，車削加工占有60%～70%的工作量，其中以鐵基黑色材料為主，研究車削鐵基黑色材料的干式切削更具有普遍意義。

鐵基黑色金屬分鋼類和鑄鐵類，鑄鐵類加工生產中基本采用干式切削，而鋼類零件的加工還沒有完全擺脫濕式切削。鋼類零件中以正火(如45鋼)和調質高強度鋼(35 HRC～45 HRC，如40Cr、38CrNi3MoVA)加工量最大。所以本課題僅討論這類材料干式外圓切削的刀具材料選擇、刀具幾何參數和切削用量的選擇。

2 干式切削的規律性

干式切削加工過程具有一些特殊的規律性，在同樣的工藝條件下，當不使用切削液時，切削力大，切削溫度高，加工表面質量狀況穩定性變差。圖1是選用YW1+TiC涂層刀具在干式和濕式切削條件下，加工工件材料為40Cr，不同切削速度時用BCJ-2型表面粗糙度檢測儀測定的粗糙度值。

從圖1可以看出，2種切削條件下，粗糙度的數值都是隨切削速度的提高而降低，但在同樣的切削速度時，濕式切削的粗糙度值要低于干式切削，特別是在低速切削時相差比較明顯;切削速度較高時粗糙度值相差縮小，即使用切削液的效果不是非常明顯。這種現象主要是以下原因引起。

金屬切削過程中所消耗的全部功轉化為熱，而熱主要產生于第一變形區和第二變形區。工件材料在第一變形區受剪切滑移以及在第二變形區切屑與前刀面產生的擠壓和摩擦，使刀具前刀面的切削溫度很高;澆注切削液的潤滑作用在于減小前刀面與切屑的摩擦，降低兩者摩擦系數。按照切削方程式[2]φ=π/4-β+γ(式中，φ為剪切角，β為摩擦角，γ為前角)，減少摩擦系數意味著β變小，φ增大，從而使前刀面與切屑的接觸長度減小，降低切削力;使發熱減少，因而也降低切削溫度;同時改善工件被加工表面的切削狀況。未加切削液的干式切削對前刀面的潤滑作用遠低于加注乳化液的濕式切削。

但隨著速度的不斷提高，前刀面上的摩擦劇烈;切削中的潤滑屬極壓邊界潤滑，速度較高時，切削液的極少部分進入切削區，使切削液潤滑作用降低，這樣干式切削與濕式切削的粗糙度值相差減少。

從工作狀況觀察，試驗時澆注冷卻液體飛濺，使操作者不能近機床操作，液體霧化傷害人的皮膚和器官。切削速度越高，對周圍環境的污染和人的傷害越嚴重。而干式切削對環境無污染，對操作者無上述傷害發生。

干式切削時切屑因較高的熱塑性而難以折斷和控制，其收集和排屑較為困難。

3 干式切削的刀具和切削參數的選用

由于干式切削不用切削液，可完全消除切削液帶來的一系列負面影響。但干式切削的切削力大、切削溫度比濕式切削高，要想實現干式切削，必須要求刀具材料有高的紅硬性、耐磨性、熱韌性和熱化學穩定性，并且切屑工件和刀具間的摩擦系數要盡量小，刀具強度和沖擊韌性要高。為滿足上述要求，選擇合適的刀具材料或涂層刀具是關鍵因素。

現有的鐵基黑色材料加工中，硬質合金刀具在車削加工中占70%(體積比)以上，其中YT15刀具應用最為廣泛。YT15(P20)刀具的最高承受線速度在(90～120)m/min，而CK7525機床的最高轉速為2 400 r/min，車削直徑為50 mm的工件線速度達376 m/min。如果再采用干式切削，這類刀具的高溫硬度、耐磨性、耐用度已不能滿足要求，而只有選用新型刀具才能滿足要求。現有的新型刀具有細晶粒和超細晶粒硬質合金、TiC基與Ti(C，N)基硬質合金、聚晶立方氮化硼PCBN、涂層刀具、陶瓷刀具等。以下將對一些新型刀具做一些試驗比較，以尋求適用的刀具材料。

3.1 適用的刀具材料以下選用株洲硬質合金廠生產的TiC基硬質合金YN05(P01)、Ti(C，N)基硬質合金TN20(P10～P20)、YW1+TiC(涂層)、YT30+TaC(P01)與YT15(P10)硬質合金做干式車削磨損試驗。圖2為在不同切削時間時，這5種刀具切削材料38CrNi3MoVA的后刀面磨損量。從圖中可以看出，涂層合金YW1+TiC的耐磨性最好，TiC基硬質合金YN05與添加TaC的YT30次之，TiC(C，N)基TN20又次之，普通硬質合金YT15耐磨性最差。

刀具切削時除了要有一定的耐磨性之外，還要有一定的韌性和抗沖擊能力。下面用Ti(C，N)基合金TN20、YW1+TiC涂層與YT15刀片進行抗沖擊車削對比試驗。工件為高強度鋼38CrNi3MoVA(36 HRC～40 HRC)，沖擊頻率為4 kHz，所得的試驗曲線如圖3所示。到崩刃之前，TN20刀片能承受的沖擊次數比YT15刀片高出50%，YW1+TiC涂層高出80%。由此可見，YW1+TiC涂層和Ti(C，N)基硬質合金刀片有較好的抗沖擊能力。

3.2 選用合理的刀具幾何參數圖4是TN20刀具在干式和濕式條件下，不同前角與刀具耐用度的試驗結果。試驗表明，在車削高強度鋼時，硬質合金TN20在干式切削時前角γo在4°～6°;濕式切削在6°～8°時刀具耐用度最高。其他刀具幾何參數(如后角、主偏角、副偏角、刃傾角)其選擇原則與加工一般鋼材時相同，在此不再討論。

3.3 選用合理的切削用量圖5是選用YW1+TiC涂層刀具在干式和有切削液的條件下加工38CrNi3MoVA材料與干式切削45鋼時，不同切削速度下的刀具耐用度對比試驗曲線。從試驗可以看出，YW1+TiC涂層刀具在干式切削加工高強度鋼時，要保證相同的刀具耐用度，必須比濕式切削的切削速度降低20%，比干式切削45(正火)鋼的切削速度降低50%。其他切削用量的制訂原則與加工一般鋼材時基本相同。

4 小結

通過以上幾個試驗說明，YW1+TiC涂層刀具，YN05、TN20等合金刀具在干式切削條件下加工普通正火鋼、高強度鋼時完全可以替代傳統的YT類合金刀具，用于精加工、半精加工及負荷較輕的粗加工，而且刀具的耐磨性、耐用度、抗沖擊性有顯著提高。

除了以上試驗的合金刀具以外，金剛石和立方氮化硼涂層正在商品化。特別是金剛石涂層硬度極高(HV12000)、摩擦系數小(μ=0.05)、導熱率高、耐磨和不粘刀，非常適用于干切削，且此涂層可應用于各種刃形復雜的刀具上，所以將會得到廣泛應用。

立方氮化硼(CBN)刀具可用于切削正火、高強度鋼，但是它的切削效果不如加工淬硬鋼顯著。如果采用CBN刀具進行精加工，切削效果顯著優于硬質合金與陶瓷刀具。不過，這2種刀具的價格偏貴，經濟成本較高。■

參考文獻

[1]向東，張根保.綠色產品及其壽命周期分析[J].機械設計與研究，1993(5):25-26

[2]張長元.從綠色消費到綠色技術到綠色設計[J].環境科學進展，1997(6):16-20

(作者:揚州大學機械工程學院07工程碩士;江都職教中心校機電工程部)