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随着绿色制造技术在切削加工中的应用，在高速铣削加工中采用压缩空气冷却取代切削液冷却已成为一种不错的选择。但是，对于具体的高速铣削加工任务，选用何种冷却方式更为恰当，则应根据不同的加工目的和被加工材料仔细加以权衡，以获得最佳的加工效果。以下是选择冷却方式时需要考虑的四个主要工艺因素。
1 工件材料的硬度
如果工件材料的硬度≥42HRC，选择压缩空气冷却通常可获得更佳的效果。高速铣削高硬度材料的加工特点为：①切削温度很高；②切屑在冷作硬化作用下会变得比母体材料更硬。切削此类材料时，如果采用切削液冷却，可能会使刀具承受间歇性升温－冷却造成的热冲击，温度的剧烈变化容易引起硬质合金切削刃碎裂。反之，如果采用压缩空气冷却，不仅可使刀具温度保持恒定，而且可将切屑吹离切削区，避免因高硬度切屑的二次切削（re-cutting）作用对刀具造成损坏。
2 工件材料的种类
如果工件材料的硬度＜42HRC，则应根据工件材料的种类确定选用何种冷却方式。在高速铣削粘性材料（如铝、软性不锈钢等）时，通常需要选用切削液冷却。切削液可对刀具起到润滑作用，且可使切屑易于向上滑出容屑槽并与刀具后角分离。而在高速铣削大多数模具钢（如P20，H13，S7， NAK55，D2等）时，压缩空气冷却可能是正确的选择。如果在加工中发现工件材料与刀具发生粘连现象，则可能提示需要采用切削液；但也可能提示需要选用不同的刀具涂层。
3 刀具涂层
氮碳化钛（TiCN）涂层和氮铝钛（TiAlN）涂层是高速铣削模具钢时最常用的两种刀具涂层。球头铣刀在低于800sfm的切削速度下铣削硬度小于42HRC的工件材料（或圆铣刀在低于600sfm的切削速度下铣削相同材料）时，刀具采用TiCN涂层较为合适。如果被加工材料的硬度或切削速度高于上述切削参数范围，则最好选用TiAlN涂层。
TiCN涂层对切削液冷却具有很好的适应性。虽然切削温度的剧烈变化仍有可能引起硬质合金切削刃碎裂，但在上述切削参数范围内进行加工，一般不会产生足以引起热冲击危险的切削高温。
反之，高温切削性能较好的TiAlN涂层不太适合切削液冷却。这种涂层在进行高温切削时，可在涂层外表面形成一层坚硬而光滑的氧化铝层，有助于提高刀具的切削性能。（事实上，美国Millstar公司开发的“Exalon”TiAlN涂层的高温切削性能更为先进，这种TiAlN涂层的外面又增加了一层固体润滑层，可使切屑更易于沿着刀具切削刃滑离。）
石墨电极工件的铣削加工对刀具涂层的要求一般不太严格，选用TiAlN涂层或金刚石涂层均可。虽然这两种涂层采用压缩空气冷却即可获得很好的切削效果，但许多加工车间仍然愿意使用切削液，这是因为切削液有助于清除加工中产生的粉尘。
4 表面光洁度要求
用球头铣刀进行高速铣削时，为了获得较高的工件表面光洁度，可能需要采用切削液冷却。由于球头铣刀端部的切削速度为零，采用切削液可起到很好的润滑作用。当用典型的球头铣刀进行微进给精铣加工时，位于铣刀端部低速切削区域的工件材料可能会卡在“横刃（web）”内。处于红热状态的残留材料被刀具拖曳着划过工件，并可能熔焊在工件表面，从而破坏工件的表面光洁度。（为解决这一问题，某些具有球形轮廓的机夹刀片式铣刀，如美国Millstar公司的 “Super Finisher”刀片，可通过改进刀片的设计消除这种“横刃”。）切削液通过对刀具和工件的润滑作用，可以减小切屑熔焊现象的影响，获得较高的表面光洁度。基于这种考虑，即使在使用TiAlN涂层刀具的加工场合，也应采用切削液冷却方式。虽然刀具寿命可能因此而缩短，但有时为了达到表面光洁度要求，有必要牺牲部分刀具寿命。
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磷 化作为金属表面的最终处理和预处理已经应用发展了多年了，为了工作方便及学习，平时收集整理了一部分这方面的资料，大体上分为“基本原理”，“磷化分 类”，“磷化前的预处理”，“磷化工艺”，“磷化工艺与配方”五个部分，现将它发布在此，希望对大家的工作与学习有所帮助。
磷化的基本原理之一——基本原理
磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，所形成的磷酸盐转化膜称之为磷化膜。磷化的目的主要是：给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀；用于涂漆前打底，提高漆膜层的附着力与防腐蚀能力；在金属冷加工工艺中起减摩润滑使用。
磷化过程包括化学与电化学反应。不同磷化体系、不同其材的磷化反应机理比较复杂。虽然科学家在这方面已做过大量的研究，但至今未完全弄清楚。在很早以前，曾以一个化学反应方程式简单表述磷化成膜机理：
8Fe+5Me(H2PO4)2+8H2O+H3PO4→Me2Fe(PO4)2•4H2O(膜)+Me3(PO4)•4H2O(膜)+7FeHPO4(沉渣)+8H2↑
Me为Mn、Zn 等，Machu等认为，钢铁在含有磷酸及磷酸二氢盐的高温溶液中浸泡，将形成以磷酸盐沉淀物组成的晶粒状磷化膜，并产生磷酸一氢铁沉渣和氢气。这个机理解 释比较粗糙，不能完整地解释成膜过程。随着对磷化研究逐步深入，当今，各学者比较赞同的观点是磷化成膜过程主要是由如下4个步骤组成：
① 酸的浸蚀使基体金属表面H+浓度降低
Fe - 2e→ Fe2+
2H－+2e→2………………………………………………………………………………（1）
H2
② 促进剂（氧化剂）加速
+ → +H2O
Fe2++ → Fe3++…………………………………………………………………………（2）
式中为促进剂（氧化剂），为还原产物，由于促进剂氧化掉第一步反应所产生的氢原子，加快了反应（1）的速度，进一步导致金属表面H+浓度急剧下降。同时也将溶液中的Fe2+氧化成为Fe3+。
③ 磷酸根的多级离解
H3PO4 H2PO4－+H+ HPO42－+2H++PO43－+3H－ ……………………………………………（3）
由于金属表面的H+浓度急剧下降，导致磷酸根各级离解平衡向右移动，最终为PO43-。
④ 磷酸盐沉淀结晶成为磷化膜
当金属表面离解出的PO43－与溶液中（金属界面）的金属离子（如Zn2+、Mn2+、Ca2+、Fe2+）达到溶度积常数Ksp时，就会形成磷酸盐沉淀
Zn2++Fe2++PO43－+H2O→Zn2Fe(PO4)2•4H2O↓ ……………………………………………（4）
3Zn2++2PO43－+4H2O=Zn3(PO4)2•4H2O↓ ………………………………………………（5）
磷酸盐沉淀与水分子一起形成磷化晶核，晶核继续长大成为磷化晶粒，无数个晶粒紧密堆集形而上学成磷化膜。
磷酸盐沉淀的副反应将形成磷化沉渣
Fe3++PO43－=FePO4………………………………………………………………………（6）
以上机理不仅可解释锌系、锰系、锌钙系磷化成膜过程，还可指导磷化配方与磷化工艺的设计。从以上机理可以看出：适当的氧化剂可提高反应（2）的速度；较 低的H+浓度可使磷酸根离解反应（3）的离解平衡更易向右移动离解出PO43-；金属表面如存在活性点面结合时，可使沉淀反应（4）（5）不需太大的过饱 和即可形成磷酸盐沉淀晶核；磷化沉渣的产生取决于反应（1）与反应（2），溶液H+浓度高，促进剂强均使沉渣增多。相应，在实际磷化配方与工艺实施中表面 为：适当较强的促进剂（氧化剂）；较高的酸比（相对较低的游离酸，即H+浓度）；使金属表面调整到具备活性点均能提高磷化反应速度，能在较低温度下快速成 膜。因此在低温快速磷化配方设计时一般遵循上述机理，选择强促进剂、高酸比、表面调整工序等。
关于磷化沉渣。因为磷化沉渣主要是FePO4,要相减少沉渣量就必须降低Fe3+的产生量，即通过两个方法：降低磷化液的H+浓度（低游离酸度）减少Fe2+氧化成为Fe3+。
锌材与铝材磷化机理基本与上相同。锌材的磷化速度较快，磷化膜只有磷酸锌盐单一组成，并且沉渣很少。铝材磷化一般要加入较多的氟化合物，使之形成AlF3、 AlF63-，铝材磷化步聚与上述机理基本相同。
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深冷处理工艺作为提高工模具寿命的一种有效手段，已在国内外得到广泛应用。试验表明，YW1硬质合金车刀片经深冷处理后，其耐磨损性能显著提高。本文对深冷处理提高刀片耐磨损性能的内在机理进行了试验分析和理论探讨。
1 YW1刀片耐磨损性能试验
采用某厂同一批次生产的YW1硬质合金三角形可转位车刀片进行切削试验。其中部分刀片在深冷处理设备中以70 ℃/h的速度降温至-184℃ ，保温18小时后，再以70 ℃/h的速度升至室温；另一部分刀片则未经深冷处理。在相同的切削条件下(切削速度vc=110m/min，切削深度ap=0.5mm，进给量f= 0.1mm/r)，分别用经过深冷处理和未经深冷处理的两种刀片在C6132车床上切削45钢，并通过测量后刀面平均磨损值VB，比较两种刀片的耐磨损性 能。根据试验结果绘出的两种刀片的磨损曲线如图1 所示。
图1 经过深冷处理和未经深冷处理的YW1刀片磨损曲线
由图1可知，经过深冷处理的刀片较未经深冷处理的刀片耐磨损性能显著提高。
2 YW1刀片的硬度分析
硬质合金刀片的耐磨损性能与其硬度值密切相关。为此，分别测量了经过深冷处理和未经深冷处理两种刀片的显微硬度(HV)和洛氏硬度(HRA)，测量结果见表1。
表1 深冷与未深冷YW1刀片硬度值
刀片类型
显微硬度(HV)
洛氏硬度(HRA)
未经深冷处理
1764.0
90
经过深冷处理
2263.7
92
由表1可知，经过深冷处理刀片的硬度值较未经深冷处理刀片有一定程度提高，这表明两种刀片的微观组织结构存在一定差异。
3 YW1刀片的微观组织结构分析
YW1硬质合金的主要成分为WC(84%)、粘结相Co(6%)及少量的TiC和TaC，其主要性能取决于WC和粘结相Co的特性(见表2)。
表2 YW1主要成分特性
特性
WC
Co
晶格类型
a—六方形
b—面心立方
a—密排六方
b—面心立方
晶格常数(Å)
a—六方形
b—面心立方
a=2.9063
c=2.8368
a=2.248
a=2.5075
c=4.0698
a=3.5442
线性热膨胀系数(×10-6/K)
4.4
14.2
298K比电阻(UW·cm)
25
5.8
表3 YW1中WC和粘结相Co的晶格常数
YW1刀片
经过深冷处理
未经深冷处理
晶格
常数
Co
Hex(六方)
Cubic(立方)+ Hex(六方)
WC
a
2.9080
2.9087
c
2.8394
2.8370
TiC
4.3301
4.3294
用X射线衍射仪对WC和粘结相Co的晶格常数进行测量，测量结果见表3 。
由表3可知，在经过深冷处理和未经深冷处理的刀片中，WC晶格常数的差异并不明显。由此可知，深冷处理可改善YW1刀片耐磨损性能的主要原因并不是由于深冷处理对WC的微观结构有所改变。
X射线分析结果表明，经过深冷处理的YW1刀片中只发现有密排六方Co(e-Co)在(1 0 2)晶向的衍射峰值 1.476 ；而在未经深冷处理的YW1刀片中既有密排六方Co(e-Co)在(1 0 2)晶向的衍射峰值1.48，也有面心立方Co(a-Co在 (2 2 2)晶向的衍射峰值1.0233，这表明经过深冷处理后，YW1中的金属Co发生了马氏体转变且转化较为完全。
硬质合金性能受粘结相 影响较大。金属Co在417℃时发生同素异性结构转变，高温时以面心立方结构(a-Co)的形式存在，低温时以密排六方结构(e-Co)的形式存在， a→e多型性转变是一种马氏体型转变，马氏体可在液氮温度下形成。在室温条件下，Co也会发生马氏体转变，粘结相与WC界面上有相应量的a-Co向e- Co转变而马氏体化，但室温条件下的这种转变是不完全的。
密排六方金属通常具有较低的摩擦系数。低摩擦系数有利于减小刀具在切削过程 中的摩擦力，从而可降低切削温度，减小刀具在切削过程中的磨料磨损和扩散磨损，提高刀具耐磨损性能。在YW1成分中，e-Co的摩擦系数很低(约为 0.36) ，因此a-Co相变为e-Co后可使YW1的耐磨损性能提高。此外，密排六方金属具有比体心和面心金属更低的粘着磨损特性，a-Co相变为e-Co后，将 减小切削过程中的粘着磨损。
因此，深冷处理工艺能够提高硬质合金耐磨损性能的关键原因在于其能够促进a-Co向e-Co的马氏体型转变，并使这种转变完全化。
有资料认为：Co的热膨胀系数比WC大两倍，而粘结相是硬质合金的主要破坏相，存在于Co相中的较大热应力是影响硬质合金性能的不利因素。深冷处理能使 WC—Co系硬质合金获得较理想的表面残余压应力，从而提高硬质合金的耐磨损性能。为了验证上述论点的正确性，作者测量了经过深冷处理和未经深冷处理的 YW1的表面残余应力值，测量结果见表4。
表4 深冷与未深冷YW1的表面残余应力值
YW1
经过深冷处理
未经深冷处理
表面残余应力(MPa)
4192.297(压应力)
4858.665(压应力)
相对差值D
D=13.72%
由表4可见，经过深冷处理的YW1表面压应力值比未经深冷处理时还小。而通常压应力值越大，对刀具抗磨损性能越有利。由此可见，深冷处理提高YW1耐磨 损性能的主要原因并不在于改善了其表面残余压应力值，而是由于促进了a-Co→e-Co的马氏体相变并使这一过程完全化。
4 结论
合理的深冷处理工艺可显著提高YW1硬质合金刀片的耐磨损性能。
经深冷处理后，YW1刀片的显微硬度和洛氏硬度明显提高，表明深冷处理可使YW1的微观组织结构发生改变。
X射线衍射分析结果表明，YW1经深冷处理后发生了较完全的粘结相Co的a→e转变，这是一种多型性的马氏体转变，是使YW1硬质合金刀片耐磨损性能提高的主要原因。
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在 大型电站、矿山、重型和通用机械行业中，不少如机座、缸体、压力腔等零件需要进行大直径孔(螺孔)加工，有的孔大且深，精度也很高，这样就使加工周期大为 延长。用传统的高速钢钻、扩孔刀具加工一个大直径孔，往往需要4～6小时，甚至更长时间，这种落后的加工方式和刀具很容易成为生产的瓶颈。
为适应快速发展的生产形势，研发、应用高效大直径刀具已显得极为迫切，为此国内外刀具厂商和相关研究机构加快了大直径孔加工刀具的创新、研发步伐，几年来已取得可喜的成果。
目 前加工大直径孔(螺孔)的机床主要有两类：一类是大型数控镗、铣床，在这类机床上加工大直径孔，由于机床功率大、刚性好、精度高，一般可采用适于高速切削 的高效硬质合金刀具(特别是硬质合金可转位孔加工刀具)；另一类是普通大型摇臂钻床，该类机床虽然在功率、刚度、加工精度等方面都无法与大型数控镗、铣床 相比，但其最大优点是加工成本低廉。目前国内大部分重型机械制造厂仍将该类机床作为生产的主力，因而研制适应于大型摇臂钻床上使用的高效大直径孔加工(螺 孔)刀具同样具有重要意义。
1 数控镗、铣床上应用的大直径孔加工刀具
1.1 钻孔刀具
硬质合金/高速 钢大直径复合钻该类刀具的典型结构可见图1，刀具切削刃由硬质合金可转位刀片和高速钢中心钻两部分组成。高速钢中心钻在钻头的中心，切削时速度低，刀刃锋 利且有较小的横刃，故轴向切削力小，切削时能得以稳定钻削；钻头两侧的可转位刀片交叉排列，并可选用硬度和强度较好的刀片和点式硬质合金断屑槽型(一般刀 片宜选用涂层刀片)，这样在钻削时可获得切屑面积较小的C形屑，以便于钻屑的顺利排出；钻杆和钻头通常都采用内冷却结构，这样在钻削时钻刃能得到充分冷 却，同时切削液在高压泵的喷射下能将切屑顺利排出孔口；该刀具的刀杆和刀头之间还配置有十字保险环，主要是防止刀杆在超负荷切削时损坏。
图1 硬质合金/高速钢大直径复合钻
采 用这种高效大直径复合钻，切削速度Vc可达80～120m/min，进给量f可达0.1～0.12mm/r，其切削效率与采用高速钢钻、扩刀具相比，可提 高8～12倍。该类钻头的加工范围一般在Ø80～Ø170，在机床功率允许条件下，甚至可加工Ø300以上的大孔。目前这种钻头在国内哈尔滨汽轮机厂、上 海龙记金属有限公司等单位已广为采用。
1.2 硬质合金可转位套料钻
套料钻的结构形式简图可见图2，该刀具设计、制造精 度较高，有三组刀块，每组两个刀块对称分布在刀体上，第三组用偏心夹紧，第一、二组用滑块偏心夹紧，两相邻组刀块高度差 0.25~0.30mm，同一组两个刀片高度相等，起良好的分屑作用。切削45#钢时，切削液是机油，油压P为0.5～0.7MPa。目前硬质合金可转位 套料钻在上海申孔机械厂已稳定应用，并取得了明显的加工效果。
图2 大直径硬质合金可转位套料钻
1.3 内螺纹加工用刀具
高效加工大直径内螺纹，应用场合较多的刀具结构形式有两种。
旋 风铣大直径内螺纹切削头该铣削头是一个独立的工艺装备，属于机床附件。它适用于普通的具有螺纹进给系统的卧式镗、铣床及其他机床上进行铣螺纹加工，铣削头 上可安装1～4个可转位螺纹刀片，刀具在高速自转铣削的同时还进行圆周进给和轴向进给(即螺旋进给)，附加式内螺纹旋风切削头的结构简图可见图3，该装置 通常用于 M30～M120的米制和1.5”～4.5”的英制螺纹孔的左、右螺纹的旋风铣削。
1.刀片 2.旋风刀座 3.旋风铣轴 4.带调节滑座的电动机 5.调节螺杆 6.机床主轴 7.机床外壳 8.锥柄 9.固定板 10.垂直连杆 11.水平连杆 12.专用块规
图3 附加式内螺纹旋风切削头
硬 质合金螺纹梳刀这是近年来新开发的一种内螺纹加工高效刀具，其刀头上的刀片可以是单片，也可以是多片。由于刀片上螺距是固定的，因此同种规格的刀片可适用 于同螺距的各种不同直径的大螺纹孔加工。硬质合金螺纹梳刀片以选用涂层型式为佳，切削速度一般可选用100～120 m/min，应用该刀具进行大螺纹加工可获得高效率、高质量的加工效果。在加工螺纹深孔时，常因刀杆振动等原因出现振纹和孔的偏斜，此时可选用具有防振性 能的刀杆予以解决。目前，该类刀具已在北京重型电机厂、第一重机厂和上海沪东车造船厂等单位应用。其刀具结构简图可见图4。
图4 硬质合金螺纹梳刀
2 在摇臂钻床上加工大直径孔的高效刀具
2.1 高速钢大直径扁钻
这 是孔加工中最原始的一种刀具，由于其制造简单、使用方便，在以前的中小型非标孔的单件、小批零件加工中得到广泛应用，但切削效率低、刀具寿命短、孔加工质 量差等弊病限制了这类刀具的发展。近年来，由于国内需要在大型摇臂钻床上加工大直径孔的零件愈来愈多，因而要求用于大型摇臂钻床的高效钻孔刀具发展创新的 呼声也愈来愈高，扁钻能不能进一步改进成为高效孔加工刀具也提到了议事日程。经国内外有关单位的研究、改进、开发，现大直径扁钻已成功应用于国内外重型企 业对零件大直径孔的加工。其创新的内容主要有以下几点：刀具结构采用刀片机夹型式，刀杆有内冷却孔，切削时在高压冷却液的作用下，刀刃可得到充分冷却；刀 片材料选用高性能高速钢(如M42等)并进行表面涂层处理；减小刀具横刃和适当加大刀具前角，使轴向切削力降低；两侧刀片增加交叉分屑槽(配合前刀面的断 屑槽型和合理走刀量)，使切屑成C形屑，便于排出并减小切削抗力。典型的大直径孔扁钻结构简图可见图5。
图5 机夹高速钢大直径扁钻
哈尔滨电机厂现在很多产品零件孔加工中都应用了这种大直径扁钻，实现了高效切削。
2.1 高速钢大直径复合钻
机 夹高速钢大直径复合钻结构为内冷却式，与硬质合金/高速钢复合钻不同的地方是：将刀头两侧原采用的硬质合金可转位刀片改成两侧带有分屑槽的两片高性能高速 钢刀片；对刀片进行了强化表面处理(涂层或多元共渗处理)；在刀具几何角度上根据被加工材料作了不同选择。目前该种类型的高速钢大直径复合钻已在哈尔滨汽 轮机厂应用，其加工效率较原用高速钢钻、扩孔刀具提高了3倍以上，同时刀具寿命也有明显提高，并能大大缩短装卸、刃磨刀具的时间。其结构简图可见图6。
图6 高速钢大直径复合钻
2.3 大直径内螺纹刀具
大 直径大螺旋角丝锥加工大直径内螺纹孔的传统做法是用套装成组丝锥完成，但由于应用多支丝锥加工，且主轴的偏摆常易引起振动，容易使螺孔加工出现波纹、“双 眼皮”、螺纹通端不通止端通等现象。而大直径螺旋槽丝锥是单支丝锥攻丝而成，攻丝时切屑可连续通畅排出，具有很小的阻力；另外这种丝锥还有较大的螺旋角 (35° ～40°)，能增加实际前角和容屑空间，降低切削扭矩，使切削更加平稳，有利于提高加工效率和保证质量，其刀具结构简图可见图7，通常大螺旋角丝锥的应用 范围为M56～M140。
a) 普通盲孔用
b) 深盲孔用
图7 大直径大螺旋角丝锥
内容屑丝锥 内容屑丝锥是一种先进、高效的加工丝锥，它既适用于数控镗铣床对大直径内螺纹孔的加工，同时也适用于大型摇臂钻床上加工螺纹内孔。
内 容屑丝锥主要的特点有：普通丝锥的容屑槽是轴向沟槽，而内容屑丝锥的容屑槽是在丝锥的前部开有一个足够大容屑空间的贮屑孔；内容屑丝锥工作部分由三部分螺 纹组成，在切削锥上的螺纹起粗切作用，圆柱上的间断螺纹起标准作用，圆柱上的完整螺纹起导向作用；内容屑丝锥的切削锥上开有带左向正刃倾角的切削刃，攻螺 纹时将切屑推向前方，使丝锥退回时，不会因切屑而引起卡死现象，当加工盲孔时，切屑被贮存在容屑孔内，切屑与被加工螺纹表面彻底隔离，因而排屑理想，使螺 纹加工表面质量得以提高。
图8 套式内容屑丝锥
刀具结构简图可见图8，套式内容屑丝锥的加工范围为M56～M250，切削速度Vc根据被加工材料不同常选用2～6m/min，一般加工精度可达6H。目前，该类高效内容屑丝锥已在国内汽轮机、发电机行业和重型机械制造行业推广使用。
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油缸必须严格按按术要求安装牢固可靠，不得有任何松动。安装往复式油缸时，应做到以下几点：
1、安装前，必须仔细检查轴端、孔琐等处的加工质量，倒角并清除毛刺，然后用煤油或汽油清洗并吹干。
2、安装面与活塞的滑动面，应保持一定的平行度和垂直度。
3、油缸中心线应与负载力的作用线同心，以避免引起例向力。否则密封体或活塞易磨损。
4、活塞杆端销孔应与耳环销孔(或耳轴)方向一致，否则油缸将受以耳轴为支点的弯曲负载，产生磨损、卡死等现象。
5、在行程较大、环境温度较高的场合，油缸只能一端固定，另一端保持自由伸缩状态，以防热胀而引起缸体变形。
6、行程较大的油缸，应在缸体和活塞杆中部设置支承，以防自重产生向下弯曲现象。
7、油缸的密封圈不要装得太紧，特别是u型密封团，如果太紧，则活塞杆的运动阻力将增大。
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制造业的发展离不开切削刀具，现代切削刀具已经成为提升制造业技术水平的关键因素之一，切削加工的要求日趋提高，高速、高精度、高效、智能和环保成为切削加工的追求目标；被加工材料的能级不断提高；高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷；新形势下对切削加工提出的特殊要求，如加工硬度50HRC以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现。总之,切削加工中的个性化特点日见显现。
面对这些变化，若要求在刀具的设计和制造工艺或刀具材料的整体性能上来适应这些要求，技术上的难度是很大的，尤其对刀具材料而言，不仅在资源利用上极不经济，而且要求材料满足日趋复杂的综合切削性能，通常是难以做到的。
而纵观刀具切削失效的大量实例可见，绝大部分的失效往往与材料表面的物理、化学、力学等状态构成的表面性能分不开，亦即现代切削加工对刀具材料表面性能的要求愈来愈高，这就有力地推动了气相沉积技术等表面工程技术的研究。实验结果表明，可通过材料表面改性技术的方法来赋予切削刀具表面的综合切削性能，作为刀具材料表面改性技术之一的化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)工艺技术，已在现代切削刀具的应用方面取得了十分理想的效果。
目前，在作为切削刀具主流的硬质合金刀具中，涂层硬质合金刀具已占到80%以上，其中PVD技术，由于其工艺温度低，不会影响刀具基材的性能，且工艺方案变化多样，使得其应用日趋广泛。涂层技术已经成为构成现代切削刀具的三大核心技术之一。
近几年来，不断提高的切削加工要求和被加工材料的能级以及减少切削加工对环境污染等有力地推动了现代切削刀具涂层技术的发展。膜系材料多元合金化、涂层工艺组合多样化中出现的TiAIN、TiAICN、CrSiN等多元复合涂层和多层涂使刀具获得了高耐磨、低摩擦、热稳定性好和抗氧化力强等良好的综合性能，大大提升了现代切削刀具的性能；纳米组分和纳米薄膜涂层的显微结构使得难加工材料的切削得到了新的解决办法；金刚石涂层和类金刚石涂层(DLC)在加工石墨零件和纤维增强等非金属材料及有色合金材料方面取得了良好的效果。为适应涂层工艺的发展，涂层的工艺装备亦实现了集成化、模块化和智能化，使涂层技术日趋个性化。
膜系材料的多元化
当前，现代切削刀具涂层技术发展的趋势是膜系材料的多元化。膜系材料多元合金化仍然是目前主要的研究方向，即利用过渡金属的二元氮化物、碳化物往往可以彼此互溶的特性，在Ti-N膜中加入合金元素，形成复合氮化物涂层。
例如目前在硬质合金涂层刀具中应用最多的TiAIN三元涂层，可通过调整AI元素的成份比例来获得不同的膜层性能。如在Ti-N中加入碳元素，通过碳原子的固溶和析出，可形成Ti(C、N)三元涂层，与Ti-N的单一涂层相比，这些多元涂层具有良好的综合性能，提高了抗氧化温度和耐磨性，又有低的摩擦系数。在Ti-N中同时加入AI、C元素，即可构成TiAICN的四元膜层(见图1)。该膜层具有良好的热稳定性、高耐磨性和低摩擦的综合性能，已于硬加工领域的涂层立铣刀大量使用。如用于硬化模块的成型加工，不仅提高了加工效率，获得了良好的加工表面而且解决了先成型加工后热处理产生的变形问题，提高了模具的制造精度。
图1 TiAICN的四元膜层
理论上而言，各种元素均可成为构成膜系材料的元素，但实际的应用尚有一定局限性，除上述膜系材料外，目前商业应用的尚有CrN、TiB2、CrSiN、ZrN、Al2O3、WC/C、MoS2和NbN等。
工艺组合的多样化
涂层的另一趋势是工艺组合的多样化。目前单一涂层无法适应现代切削加工中日趋复杂的工况和服役条件，为此，涂层多样化的工艺组合便应运而生，首先是由单层涂发展成多层涂。多层膜是一种金属或合金沉积在另一种金属或合金上形成的组分或结构周期性变化的膜层结构，每相邻两层形成一个周期(见图2)，各层金属和合金成份、厚度以及周期数均可根据需要进行选择，另外如CVD与PVD的工艺组合，预氮化(离子氮化)和PVD的组合工艺等均已获得商业应用。同时梯度涂层和纳米膜层复合工艺等亦已普遍应用。
图2 TiAN的多层膜
在多层膜研究中，利用多层膜具有的界面效应和层间耦合效应以及裂纹尖端钝化、裂纹分支及沿界面的界面开裂等增韧机制来提高多层膜的韧性，从而获得许多与单层膜不同的特性。在多样化的工艺组合中，只要通过合理的工艺设计便可获得具有良好综合性能的膜层结构。
显微组织的纳米结构
显微组织的纳米结构亦是当前涂层研究的热点。在研究中发现，一些超硬纳米复合薄膜体系表现出优越的力学性能，如图3所示的TiN-CrN/AlN纳米复合图层，又如在最佳的复合膜周期下，其最高硬度可达45Gpa。
图3 TIN-CrN纳米膜
具有一定代表性的是AITiN晶粒与无定型Si3N4纳米组分构成的纳米混合膜，其硬度亦可达45GPa，膜的稳定性和抗氧化性可达1000℃。可见在TiN膜中加入少量的Si能够细化TiN晶粒，甚至可至纳米级，提高其硬度至40~50Gpa。故在新一轮的涂层研究中，含Si的纳米结构膜层将可能成为新一代涂层的代表。
纳米组分(晶粒)的薄膜是涂层膜的另一种显微结构(见图4)，亦称纳米晶膜，如一种新开发的TiAIN纳米晶膜涂层，它具有很高的耐热性能，在钢、钛和钛合金、耐热合金等材料的加工中有极好的加工效果，同时还可加工硬化的模具钢，其主要特点是涂层有15层，膜层厚度为0.08～0.13mm的纳米晶膜。但是在纳米多层膜体系的研究中，对于多层膜的生长方式、界面结构、显微硬度随调制周期的变化以及多层膜的强韧化机理等的研究，尚有大量工作要做。
图4 纳米晶混合膜
金刚石涂层
涂层技术中的另一个亮点是金刚石涂层。金刚石膜具有优良的力学、热学、电学和光学性能，其硬度达100GPa。金刚石涂层是近几年来研究成功的新刀具涂层技术之一，它主要用于加工石墨零件和纤维增强等非金属工件以及微型刀具涂层等。德国CemeCon公司开发CC DIA 金刚石涂层是一种纯晶体金刚石涂层，该涂层特别满足于石墨加工过程的性能要求(见图6)。
图5a 纳米晶多层膜 图5b 纳米晶多层模型图
图6a 晶体结构金刚石涂层 图6b 纳米结构金刚石涂层
在目前已知的材料中，该晶体结构具有最高的硬度和耐磨性，通常一件刀具就可以完成大型、复杂组件的制造，因为它充分反应了石墨在特定应用条件下的基体材料和刀具几何形状三者的有机结合。但由于以SP3为主要结构成分的金刚石涂层存在内应力高、热稳定性差以及与黑色金属间的触媒效应使SP3向SP2转变等问题，会影响其结合力，故在金刚石涂层中，基材与金刚石膜层间的过渡层是关键，有文献报道了一种制备方法：首先用激光蒸发法在钢表面上沉积一层纳米TiN，再用CVD法把金刚石纳米粒子沉积到TiN涂层上，然后再涂上一层TiN，金刚石纳米粒子镶在两层TiN薄膜中形成纳米复合涂层，这种涂层结构不但具有良好的硬度、耐热冲击能力，而且与钢基体有极强的附着力。
金刚石涂层除了在加工石墨件中表现出良好的性能外，在高硅铝合金以及叠层结构的钛合金复合材料的加工中同样显示了优越的性能。它避免了复合材料中的元素导致刀刃快速磨损和其它元素向刀刃粘附转移等倾向。由于金刚石膜层存在热稳定性差的缺点，在使用上有一定局限性，故近年来以SP2结构为主的类金刚石涂层(也称为类石墨涂层)(见图7)DLC亦开始了商业应用。DLC硬度可达到 20～40GPa，但不存在与黑色金属起触媒效应的问题，其摩擦系数低，又有很好的抗湿性，可用于加工钢铁材料。
图7 DLC涂层
金刚石涂层或类金刚石涂层的摩擦系数只有钢的1/6～1/12，在切削加工中有自润滑功能，可有效减少或免除切削加工中切削液带来的污染问题，实现微润滑和干切削，提升了切削加工的技术水平，并在整个切削加工中大大增加了有效加工的比率，促进了高效加工，降低了加工成本，同时还可与耐磨膜层组成具有综合性能的复合膜。目前该涂层已开始在切削领域得到应用。
涂层设备的发展
为适应涂层技术的飞速发展，近几年来，涂层设备的发展也日新月异，整机的高度集成化、结构的模块化和运作的智能化，不仅实现了设备现代化，同时可满足适时技术升级的需要，工艺日趋个性化，调节灵活，并具有高稳定性和高可靠性，可实现涂层的精益生产和清洁(绿色)生产，从而大大提升了切削刀具的技术性能，增加了刀具的附加值，使切削刀具成为高技术含量的产品，为我国的数控加工技术和自动化生产提供了很好的物质基础，真正实现了涂层技术与现代切削刀具的相互驱动，共同发展，为我国制造业的发展推波助澜。
目前涂层设备存在的问题主要是高端设备几乎完全依赖由国外引进，本土化的消化吸收进展缓慢，在自主创新方面缺乏平台，导致国产涂层设备整体技术水平与欧美等发达国家存在较大差距，从而亦制约了本土化涂层技术的创新发展，在一定程度上影响了我国现代切削刀具的发展速度，这便是涂层技术与现代切削刀具互动发展中急需解决的问题。
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钛合金材料由于其密度小，比强度高，耐高温，抗氧化性能好等特点，应用广泛。但钛合金机械加工性能差，影响了该材料的广泛使用。
钛合金即在工业纯钛中加入合金元素，以提高钛的强度。钛合金可分三种：a钛合金，b钛合金和a＋b钛合金。a+b钛合金是由a和b双相组成，这类合金组织稳定，高温变形性能、韧性、塑性较好，能进行淬火、时效处理，使合金强化。钛合金的性能特点主要表现在：
1) 比强度高。钛合金密度小(4.4kg/dm3)重量轻，但其比强度却大于超高强度钢。
2) 热强性高。钛合金的热稳定性好，在300～500℃条件下，其强度约比铝合金高10倍。
3) 化学活性大。钛可与空气中的氧、氮、一氧化碳、水蒸气等物质产生强烈的化学反应，在表面形成TiC及TiN硬化层。
导热性差。钛合金导热性差，钛合金TC4在200℃时的热导率l=16.8W/m·℃，导热系数是0.036卡/厘米·秒·℃。
钛合金机加工特性分析
首先，钛合金导热系数低，仅是钢的1/4，铝的1/13，铜的1/25。因切削区散热慢，不利于热平衡，在切削加工过程中，散热和冷却效果很差，易于在切削区形成高温，加工后零件变形回弹大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快，耐用度降低。其次，钛合金的导热系数低，使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削热不易散发，加速刀具磨损。最后，钛合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。
钛合金在加工中心上的铣削案例分析
零件的结构形式，见图1。
图1 零件外形尺寸
该零件的特点是：
·形状较复杂，精度要求高。
·加工过程中必须进行多种工序加工。
·必须严格控制零件公差范围。
·价格昂贵，加工成本高。
加工中心加工钛合金特点
·加工中心可以多个零件同时加工，提高生产效率。
·提高零件的加工精度，产品一致性好。加工中心有刀具补偿功能，可以获得机床本身的加工精度。
·有广泛的适应性和较大的灵活性。如本零件的圆弧加工、倒角和过渡圆角。
·可以实现一机多能。加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工。
·可以进行精确的成本计算，控制生产进度。
·不需要专用夹具，节约大量成本经费，缩短生产周期。
·大大减轻了工人的劳动强度。
·可以与UG等加工软件进行多轴加工。
刀具材料的选择
刀具材料选用应满足下列要求：
·足够的硬度。刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。
·足够的强度和韧性。由于刀具切削钛合金时承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。
·足够的耐磨性。由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。这是选择加工钛合金刀具最重要的参数。
·刀具材料与钛合金亲合能力要差。由于钛合金化学活性高，因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金，造成粘刀、烧刀现象。
经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行试验表明，采用高钴刀具效果理想，钴的主要作用能加强二次硬化效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。
铣刀的几何参数
钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在着较大区别。
·螺旋角β 选择较小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑容易，散热快，同时也减小切削加工过程中的切削抗力。
·前角γ 切削时刃口锋利，切削轻快，避免钛合金产生过多切削热，从而避免产生二次硬化。
·后角α 减小刀刃的磨损速度，有利于散热，耐用度也得到很大程度的提高。
切削参数选择
钛合金机加工应选择较低的切削速度，适当大的进给量，合理的切深和精加工量，冷却要充分。
·切削速度Vc Vc=30～50m/min
·进给量f 粗加工时取较大进给量，精加工和半精加工取适中的进给量。
·切削深度ap ap=1/3d为宜，钛合金亲合力好，排屑困难，切削深度太大，会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。
·精加工余量αc适中 钛合金表面硬化层约0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化层上，刀具容易磨损，应该避免硬化层加工，但切削余量不宜过大。
冷却液
钛合金加工最好不用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆，也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。
选用合成水溶性乳化液，也可自配用冷却液。
切削加工时冷却液要保证充足，冷却液循环速度要快，切削液流量和压力要大，加工中心都配有专用冷却喷嘴，只要注意调整就能达到预期的效果。
通过对钛合金的特性分析，解决了钛合金切削加工过程中存在的难题；通过编制正确、科学的加工工艺，可以降低成本，提高生产效率，得出如下结论：
·用加工中心精加工钛合金，满足了零件形状复杂，高精度的要求，且可多件同时加工，提高生产效率。
·高钴刀具材料是钛合金理想的加工刀具。
·选择合理的刀具几何参数、切削参数、冷却液，可以延长切削刀具寿命，提高生产效率。
·安排出合理科学的工艺规程是提高效益、节约成本的最佳方法。
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