干式切削加工及其應用

鄧 祎

(山西機電職業技術學院 機械工程系，山西 長治 046011 )

0 引言

21世紀的環境保護問題仍然是世界各國關注的焦點，如何在發展的同時兼顧保護環境是各行各業所面臨的實際問題，相同的問題在機械加工行業中也是同樣存在的，比如切削加工中長期以來使用的切削液污染問題就是其中之一。切削液在加工中的主要作用是降低切削區溫度、改善工件表面質量，以及潤滑刀具和工件，在斷屑與排屑等方面也能起到一定的輔助作用，但其在使用過程中帶來的弊端也引起了人們的足夠關注，主要體現在以下幾方面：①切削液的使用需要一套專門的設備，在維護、保養、存儲、管理和清潔等方面需花費一定的輔助時間和成本支出；②切削加工過程中由于切屑高溫使接觸的切削液瞬間霧化，油霧狀顆粒彌漫在空氣中，對環境造成污染，人體吸入后會危害健康；③作為切削產生的附加物切削碎屑需要進行無害化處理，增加了加工成本；④由于不可避免的原因所產生的切削液泄漏和溢出而造成污染環境，給安全生產帶來隱患；⑤切削液使用過程中會對刀片產生冷熱不均的變化，致使刀片容易開裂損壞，該過程對刀片的耐用度和使用壽命產生影響。應用干式切削加工技術，可以徹底避免切削液所產生的環境污染問題。歐、美、日等工業發達國家近些年來開發實施了干式切削加工技術，歐洲約有10%～15%的切削加工不使用切削液，并體會到其所帶來的技術優越性。本文就干式切削的特點、刀具材料的選擇、刀具的設計以及干式切削加工的應用等進行論述，以期為干式切削加工的發展提供參考。

1 干式切削加工的技術特點及刀具材料的選擇

1.1 干式切削加工的技術特點

干式切削加工技術是一種不使用切削液的金屬切削加工技術，其優點有：①金屬切屑沒有切削液的污染，回收方便；②生產處理設備簡單，不產生與切削液相關的費用支出，可有效降低輔助時間和減少成本；③可大大降低生產過程中造成的環境污染；④避免由于刀片冷熱不均勻造成的刀片破裂損壞，提高了刀具的耐用度和使用壽命。

1.2 干式切削加工所使用的刀具材料

21世紀刀具材料的技術發展又進入了一個新階段，由一些新技術研發出來的刀具材料在加工性能上也已經具備了干式切削加工的條件，比如刀片表面涂層技術的發展與應用，它為干式切削加工技術的發展奠定了良好的基礎和技術支撐。干式切削加工在刀片材料的硬度、耐磨損性、抗彎強度、抗沖擊韌性、耐熱溫度、導熱性能以及加工工藝性能和經濟性能等方面比傳統切削加工要求更高，其中高溫硬度和耐磨損性又是重要的性能指標。陶瓷材料、立方氮化硼(CBN)材料、聚晶金剛石(PCD)及超細晶粒硬質合金材料等均已基本具備了上述各方面性能要求，是金屬機械加工干式切削的首選刀具材料。

1.2.1 陶瓷

陶瓷刀具的主要技術優點是硬度高，耐磨損性能好，高溫硬度保持性好，不與任何其他金屬元素直接發生親和，化學性質穩定，抗黏結性能好，刀具切削線速度是硬質合金刀具的兩倍以上，刀具耐用度高，切削加工效率高。陶瓷刀具材料中最為常見的兩類代表材料是氧化鋁基陶瓷和氮化硅基陶瓷。氧化鋁基陶瓷刀具材料主要代表有：純氧化鋁系陶瓷、氧化鋁-金屬系陶瓷、氧化鋁-碳化物-納米金屬陶瓷、氧化鋁-碳化物系陶瓷。氮化硅基陶瓷刀具材料的硬度一般可以達到HRA 93～HRA 94，抗彎強度可達到700 MPa～1 100 MPa，比氧化鋁基陶瓷材料高。陶瓷刀具主要適用于高硬度、低硬度和高韌性材料的切削加工，一般在灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬火鋼、一些未淬火鋼和耐熱合金等材料加工中應用較多，但對鋁材料的加工不適用。

1.2.2 立方氮化硼(CBN)

立方氮化硼制造的一個關鍵工藝過程是在六方氮化硼粉末中直接加入相應的催化劑，在一定的高溫和高壓下進行反應轉化而形成，其硬度一般可達HV8 000～HV9 000(略低于金剛石)，耐熱溫度一般可達1 300 ℃ ～1 500 ℃ 。其主要優點是硬度高、耐磨損性能好、不易產生化學反應、紅硬性能好、摩擦因數和熱膨脹系數低，不與含鐵族元素相互親和。CBN刀具在各種鋼鐵材料精密加工、磨削加工中使用得比較多，在使用高的切削速度切削鐵族的黑色金屬、淬硬鋼和高溫合金等難加工金屬材料方面也具有其獨特的技術優勢，由于它本身擁有優良的耐熱和抗高溫性能，可以廣泛應用于一些難加工材料的加工，如耐熱鋼、不銹鋼、鈦合金、高硬度冷硬輥、滲碳淬火材料、硅鋁合金等的加工。與硬質合金刀具相比，CBN刀具的硬度高、脆性大；與陶瓷刀具相比，其耐熱性能和化學穩定性都要差，但抗沖擊強度和抗破碎能力較強。

1.2.3 聚晶金剛石(PCD)——人造金剛石

天然的硬金剛石被廣泛認為是所有自然界中最硬的一種材料，它具備良好的耐磨損性能，能磨出0.01 μm的鋒利刃口半徑，刀具使用壽命長，不足之處是自然界中存量稀少，價格不菲，在生產實際中應用不經濟，一般只在高速切削和精密加工中使用。

聚晶金剛石(人造金剛石)刀具的價格比天然金剛石刀具便宜，焊接性能和磨削性能好，可作為天然金剛石刀具的良好替代品。聚晶金剛石是由人工制成的金剛石微粉經過高溫高壓聚合而形成，硬度可達HK6 500～HK8 000(硬度略低于天然金剛石)，耐磨損性能極高，導熱性能好，熱膨脹系數低，缺點是韌性比硬質合金差，比高速鋼更差，刀具的主要失效形式為刃口崩裂缺失。聚晶金剛石刀具能夠研磨出刃口圓弧半徑較小的鋒利刀刃和較低的表面粗糙度，適用于加工高耐磨性材料、石墨材料、復合材料、高硅鋁合金材料等硬而脆的非金屬和有色金屬材料。因為聚晶金剛石(PCD)刀具材料中的碳元素容易與含鐵的鐵族元素材料產生化學反應，使刀具的硬度降低，故含鐵的鐵族元素材料不能用聚晶金剛石刀具加工，由于耐熱溫度的原因，切削區溫度也不宜超過600 ℃。

1.2.4 超細晶粒尺寸硬質合金

超細晶粒硬質合金的晶粒尺寸一般控制在0.5 μm以下，硬度一般可達HRA 90～HRA 93，抗彎曲強度一般可達2 000 MPa～3 500 MPa，具有抗彎曲強度高、硬度高、韌性好的特點。在不良切削條件下超細晶粒硬質合金刀具抗崩刃和抗缺損能力較好，若進一步在其表面上涂上金屬或非金屬化合物涂層，其切削和加工性能將會有更好的改善和提升，其主要適用于鈷基、鎳基、鐵基等超耐熱合金以及其他不銹鋼、高硬度材料的切削加工。

1.2.5 涂層氮鋁鈦(TiAlN)刀具

氮鋁鈦涂層材料具有硬度高、抗磨損、熱力學性能良好、耐熱性好(耐熱溫度為1 000 ℃～1 200 ℃ )、抗黏結和耐腐蝕性能良好、化學穩定性強、熱傳導系數低等特殊優點。在同等壽命和耐用度下涂層氮鋁鈦刀具車削和銑削加工中可采用高效的切削參數，可提高切削加工效率，在干式切削加工時性能優越。實驗數據表明，刀片涂層適宜的厚度為2 μm～18 μm ，涂層厚度較厚時刀片的抗沖擊性能和耐高溫能力反而不如較薄的涂層厚度刀片，在干式切削加工中應采用薄的涂層刀具，使用壽命可提高40%左右。

2 干式切削加工刀具設計時需要考慮的問題

2.1 刀具材料的選擇

干式切削加工時，刀具材料的重要性能參數是耐高溫性能和高溫硬度，加工時應根據不同的工件材料、加工性質和加工特點等進行合理選擇，常選用的干式切削刀具材料有陶瓷、立方氮化硼、聚晶金剛石、超細晶粒硬質合金和氮鋁鈦涂層。

2.2 刀具的幾何形狀設計

設計刀具幾何形狀時，要以降低切削力、減少摩擦、減少熱量產生、保證切屑順利排出為主要目的。當加大刀具前角時，切削刀刃的尖銳和鋒利程度就會提高，切削的變形也就隨之變小，生成的切削熱量小，在切削區域內的溫度就會逐漸變低。但刀具前角過大，將會極大地減少刀具的散熱能力和體積，導致刀具內部的散熱容量大大減少，切削區域的溫度反而更高，在切削加工中我們需要根據不同的切削場合來選擇恰當的刀具前角，當刀具前角大于18°～20°時，對降低切削區域的溫度作用并不顯著。當刀具主偏角逐漸減小時，散熱面積會逐步加大，有利于控制切削過程中切削區域溫度的升高。刀尖的圓弧半徑增大，能夠減小平均切削主偏角，加大刀刃切削寬度，散熱面積范圍擴大，對于切削中溫度的降低較為有利。刃傾角的變化對于切削溫度的影響很小。負倒棱能夠提高切削刃口的強度，對于切削溫度的影響不大。設計合理的斷屑槽對于完成切屑的折斷和排出都比較好，在加工工具鋼、合金鋼、碳素鋼時可以選擇直線加圓弧形斷屑槽、折線形斷屑槽；加工高塑性工件材料，如純銅、不銹鋼等工件材料時可以選擇全圓弧形的斷屑槽。

2.3 表面涂層

涂層刀具非常適用于干式切削加工，具有很好的發展潛力。刀片通過涂層處理可以有效隔離刀具表面和工件材料的接觸，起到減少摩擦、減少熱傳導，減少刀具材料吸熱的作用，刀具所承受的切削溫度比未涂層刀具提高了許多。

3 干式切削加工的應用

近年來，美國、德國和日本等國家在干式切削方面進行了許多的實驗和實際加工探索，一些可行的技術已經在生產實際中應用，也取得了比較明顯的效果，我國在這方面起步較晚，雖然也取得了一些成績，但對其技術問題的研究和探索還處于起步階段。

鑄鐵材料加工不使用切削液是干式切削加工應用多年的實例之一，高速加工時利用性能優越的陶瓷或CBN刀具進行切削，金屬切除率可大大提高。由于鎂金屬的易燃性較強，不能受潮，與切削液中的水接觸會產生化學反應，所以鎂金屬作為難加工材料是必須使用干式切削的。

近年來，隨著細顆粒硬質合金材料和表面涂層等技術的應用，鉆削加工也可以采用干式加工，使鉆削加工在傳統使用切削液的基礎上有了一定程度的突破。