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2007-01-07 11:45 |
干式切削技术在铣削加工中的应用
摘要：干式切削是一种绿色制造工艺技术，它已成为金属切削加工发展的趋势之一。文中分析了干式切削加工对刀具的要求，讨论了刀具材料的选择并结合实例分析了干式切削技术在铣削中的应用。
1 前言
现今大部分的金属切削加工是以使用切削液的湿式方式进行的。切削液具有冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等功能，对延长刀具使用寿命，保证加工质量起着重要的作用。但是近几年随着人类社会对环境保护的日益重视，人们开始关注切削液所带来的一系列负作用。一方面，切削液的广泛使用需消耗大量的能源和资源，增加加工成本。据德国许多公司统计计算的资料表明，使用冷却液费用占总制造成本的16 % ，而切削刀具消耗的费用只占成本的3～4%。另一方面，切削液对环境的污染较为严重，甚至危害工人健康。为使金属切削加工尽可能少地产生污染，人们提出了“清洁化生产”这一概念。干切削是消除切削液污染，降低产品成本，实现清洁化生产的最有效的途径。要实现干式切削，必须合理选择刀具材料，设计合理的刀具几何参数。干式切削技术已成为金属切削加工发展的趋势之一。近年来，它在车削和铣削中的应用已日益普遍，在钻削、镗削和滚齿方面也取得了重大的突破。本文结合工作实际，仅就干式切削技术在不锈钢铣削中的应用进行论述。
2 干式切削加工对刀具的要求
切削刀具的性能取决于刀具材料和刀具结构及几何参数。不同加工方法对刀具的设计侧重点有所不同。对于干式切削加工刀具必须具备下述性能：(1)刀具应具有较高的耐热性和良好的耐磨性。(2)切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小。(3)刀具形状要保证排屑流畅和易于散热。(4)刀具应具有更高的强度和耐冲击韧性。在实际生产中，应根据工件材料的物理、力学性能和工序特点，合理选用刀具材料、涂层，优化刀具结构和几何参数，并注意刀具材料与工件材料的匹配，才能设计和制造出适用于干式切削的刀具。
1) 干式切削加工的刀具材料
干式切削时刀具材料最重要的是必须具各高的红硬性和高的耐冲击性。目前适用于干式加工的刀具材料有超细颗粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷及金属陶瓷材料、金刚石(PCD)及立方氮化硼(CBN)等。
a. 超细颗粒硬质合金
通常用的普通硬质合金脆性大、易崩刃。超细颗粒硬质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性能，可用于铣削和钻削加工。
b. 涂层硬质合金
涂层刀具最适用于干式切削加工，因为适宜的涂层既可承受高的切削温度，降低刀具/切屑以及刀具/工件表面之间的摩擦系数，减小刀具磨损和产生的热量，还可使刀具具有强韧的基体及满足切削要求的切削刃或工件表面。因此，适宜的基体与涂层组合及经济可行的涂层工艺技术是干式切削加工的关键技术之一。常用的涂层基体材料主要是硬质合金。涂层材料主要有TiC、TiN、TiAlN、金刚石等。其中TiAlN 涂层是干式切削加工时最好的涂层之一。如SECO公司开发的用于干式铣削的涂层硬质合金刀片：T150M、T25M 、F20M、F40M 。见表1。 表1 涂层硬质合金刀片的种类和应用范围
| 刀刀种类 | 涂层材料 | 应用 | 切削液使用 | | T15OM | Ti(C, N)+Al2O3 | 灰口铸铁/球墨铸铁 | 干切削 | | T25M | TiC/Ti(C, N)+TiN | 碳钢/不锈钢 | 湿/干切削 | | F20M | Ti(C, N)+(Ti, Al) N+TiN | 不锈钢 | 干切削 | | F40M | Ti(C, N)+(Ti, Al) N+TiN | 不锈钢 | 湿/干切削 |
c. 陶瓷及金属陶瓷
陶瓷刀具由于高耐热性和良好的化学稳定性，非常适合于干式加工铸铁和淬火钢。但其韧胜差，易折断，在很大程度上限制了它在干式切削中的应用。为了解决这一难题，国外已开发了一些新型氧化铝陶瓷刀片。如日本学者开发的一种用微细颗粒(0.22µm)、高纯度(99.99 %)的新型氧化铝陶瓷粉末制造的陶瓷刀片，在干车、干铣碳钢和铸铁件时具有优异的切削性能。
金属陶瓷是硬质合金的种类型，它含有钛基化合物，粘结剂是镍或镍相。金属陶瓷刀具适合于干式切削。以往对硬质磨具通常采用磨削或电火花加工，现在可用金属陶瓷刀具进行干铣加工，不仅提高了工效，表面质量也得到了提高。
d. CBN
CBN材料具有韧性好，高温化学稳定性好，硬度高的特点，硬度高达3200～4000HV ，仅次于金刚石。因此很适合干式切削铸铁和淬火钢。SECO公司开发了一系列的CBN刀片，如适用于高速铣削淬硬钢的CBN20刀片；适用于干式粗、精铣珠光体灰口铸铁和球墨铸铁的CBN300刀片。CBN300是从CBN30 基础上用特殊工艺改变颗粒尺寸大小得到的抗冲击牌号，其晶粒尺寸为22µm 。这一种纯烧结体，PCBN含量(90%)较高，具有很好的耐磨性、优良的导热性和抗冲击性，同原先已有的PCBN产品相比，是一种新的更成熟的PCBN产品。
e. PCD
PCD刀具具有硬度高、热传导率大、线膨胀系数小的特点。PCD刀具适用于干式精加工铜合金、铝及铝合金、复合材料等。用PCD刀具干式加工铝合金可以达到很高的切削速度和很长的刀具使用寿命。但是PCD刀具与铁元素反应大，只能用于切削非铁零件。另外，PCD刀具不能经受切削区超过600℃的高温，因此，它不能切削韧性、高延展性材料。
2) 刀具结构和几何参数
干式切削时，刀尖和刃口材料承受的热负荷大大增加，容易产生各种刃口损伤．最终导致刀具失效。为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具设计时要考虑加工时产生的切削力和摩擦力要小，排屑效应要好。干式切削刀具必须对刀具结构和几何参数进行优化设计，如①设计使刀具为负前角或使前后刀面凸起，以延缓月牙洼对刀刃的损害。②增大负刃倾角，改善刀刃及刀尖的切入状态，以提高刀具的抗冲击和抗热震能力等等。欧洲的一些刀具制造商已开发出许多有利于干式切削几何形状的刀具可供选用。如SECO公司设计的ME型断屑槽的八角形铣刀片采用了能有效控制切屑形成和排屑的断屑槽，专门适用于干式铣削。
3 干式切削的冷却和润滑
在有些场合(如深孔钻削、攻丝等)要实现不用切削液的完全干式切削是困难的，因此，完全干式切削工艺的应用范围有一定限制，这时可采用最少量润滑(MQL)的准干式切削方式和冷风切削。
最少量润滑，也称喷雾润滑，它是用压缩空气使微量的植物油雾化，并以很高的速度喷向高温的切削区，可以起到冷却、润滑和排屑的作用。植物油的用量是湿式切削的万分之一。同等用量所吸收的热量是浇注法的1000倍，因而大大减低了切削液成本。冷风切削是利用压缩空气进行冷却和排屑，部分代替了切削液的功能，但一般与MQL并用，以提高润滑效果。
4 干式切削在铣削中的应用
一般情况下我们习惯于在铣削中尤其是在立铣加工中加注冷却液，但在铣削中加注冷却液会使刀具产生温度的激烈变化，铣刀刀片自工件切出时冷却，再切入时温度又上升。温度急剧变化在刀片中产生应力，会导致裂纹的产生。尽管在干铣时也有加热和冷却循环产生，但相比之下要小得多，可以通过合理选择刀具材料、结构和几何参数得到解决。对于铣削加工采用干式切削可以得到比湿式切削理想的切削效果。以下是干式铣削加工的典型应用实例。
1) 涂层硬质合金F20M干铣不诱钢阀门座(工件材料：CF -8M ，不锈耐酸铸钢)
某厂在加工不锈钢阀门座底面时原先采用SECO公司的T25M(CVD涂层)刀片湿式粗铣和精铣，由于生产批量的急剧上升，刀具寿命的矛盾就显得比较突出。该厂用于粗铣的铣刀刀盘型号为R220.43-0080-07W(主偏角43°，直径80mm) ，所选用的刀片涂层等级为T25M，刀片型号为OFER070405TN-ME15(八角形边长7mm的铣刀片)。粗铣切削参数：Vc=130m/min，fz=0.1mm/z，ap=2～3mm，ae=80%，每个切削刃的刀具寿命4～6件。精铣切削参数：Vc=250m/min，fz=0.16mm/z，ap=0.7～0.8mm，ae=80%。每个切削刃的刀具寿命：12～16件。工厂要求粗铁加工提高刀具寿命，第一次改进后选用与原先相同的切削参数，采用SECO公司的F40M(PVD物理涂层)刀片湿式粗铣，刀具寿命为9～10件。这个结果仍没有达到厂方希望的目标。据国外同行介绍用干切的办法加工不锈钢可使其刀具寿命大大提高，可超过20件。最后采用SECO公司的F20M(PVD物理涂层)刀片干式粗铣，刀片型号为OFEN070405TN-D18(断屑槽为D18 ，难加工型)。切削参数：Vc=180m /min，fz=0.16mm/z，ap=2～3mm。每个切削刃的刀具寿命：24～28件。其结果是刀具寿命大幅度提高。
分析：切削力和切削温度的变化关系是一根驼峰曲线。当切削温度高至超越驼峰时，随着切削温度的进一步提高，切削力会下降，使得切削变得相对容易，故刀具寿命提高。而如果在此时加人冷却液，会使切削区温度下降，导致切削力上升，磨损加剧，使刀具寿命降低。而在切削力、切削温度关系曲线驼峰的左方，情况则是相反，添加冷却液会引起切削力的降低，使得切削轻决．刀具寿命改善。但通过切削试验来确定该关系曲线是一项工作量浩大的工程，这方面的工件有待进一步地深入。
2) 涂层硬质合金T150M干式切削铸铁排气管端面
上海某汽车零部件加工企业在加工上海通用汽车公司别克轿车的排气管时，采用SECO公司的T150M 黑色涂层硬质合金刀片干式铣削铸铁排气管端面。与原先采用另一公司的陶瓷刀片相比，生产效率明显提高，刀具寿命每个刃口超过100 件。刀盘型号：R220.43-0088-S(直径88mm，齿数：z=5) ；刀片涂层等级：T150M ；刀片型号：OFET070405TN-16；切削参数：n=11OOr/min ，ap=1～1.2mm，Vf=600mm/min。每个切削刃的刀具寿命大于100个工件。四方形的陶瓷刀片只有4个刃口，价格比硬质合金的八角形刀片高，而且刃口只有八角刀片的一半，经济性更差。
3) PCBN刀具干铣灰口铸铁缸体平面
SECO公司开发的整体结构PCBN刀片系列的CBN300在干式铣削灰口铸铁缸体平面时表现了不凡的特胜，其刀具寿命为一般PCBN刀片的4倍而对于陶瓷刀片来说，CBN300可以提高50 倍刀具寿命。CBN300已成功运用于上海通用汽车公司新建成的发动机柔性生产线上干式铣削灰口铸铁缸体平面，铣削速度可达1600m/min，大大提高了发动机的加工效率。刀片型号SNMN090312S；刀盘型号：R22033-0100-12CT(z=8)，切削参数：ae=80mm，ap=4～5mm，fz=0.15mm，Vc=1600m/min。每个切削刃的刀具寿命：170件。
5 结论
干式切削加工是一种理想的清洁制造工艺方法。国外对干式切削加工的研究和应用已比较广泛，我国在此项技术上同国外相比有很大的差距。但以上的成功应用实例可以表明，在现有技术条件下，干式切削加工在我国是可以实现的，并随着在车削和铣削中的广泛应用，必将推动在其它加工方法中的应用。当然，干式切削技术的发展，必须依托于先进的刀具结构和刀具材料。相信随着干式切削技术的深入研究和推广应用，我国的切削加工效率和加工质量都将达到一个新的水平。
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