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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

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Oct 02 Thu 2008 12:21
PCBN刀具精密硬态切削淬硬轴承钢的试验研究www.tool-tool.com

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大连理工大学文东辉

淬硬轴承钢零件大都工作在其机械力学性能极限点附近，其性能主要取决于工序链中最后一道精加工工序，即车削和磨削，因此精加工被认为是影响零件性能和寿命的重要过程。精磨是轴承钢精加工最常用的加工工艺，随着超硬材料PCBN刀具的发展及数控机床等加工设备精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为淬硬轴承钢的一个新的精加工途径。如果将硬态切削与精磨工艺结合起来，则加工一个一般轴承零件所花的成本将比在磨床完成粗加工和精加工所花成本降低40%~60%。因此，后继工序有超精加工或精密磨削要求时，硬态切削是最好的选择。美、德和英等国率先在精密航空轴承上采用了硬态切削工艺，其产品的供货周期由1年缩短为3个月，经济效益也是原来的5倍以上。例如荷兰Hembrug公司在Mikroturn CNC系列超精车床上采用PCBN刀具精车淬硬后的EN21轴承钢(HRC62)、美国国家标准工艺研究院Y.Kevin Chou和Chris J.Evans采用Sumitomo BN系列的PCBN刀具加工AISI M50钢(HRC62~64)、英国DeBeers工业金刚石公司M.A.Fleming 在Delta Turn40 车床上采用AMBORITE DBN45刀具车削EN31轴承钢等都实现了PCBN刀具加工淬硬钢的纳米切削。然而，我国企业和工厂还难以接受PCBN刀具的硬态切削加工工艺，其主要原因是对PCBN刀具切削加工淬硬轴承钢的适应性没有彻底研究，其中一些不稳定因素制约了它的推广应用。本课题通过切削试验研究了 PCBN刀具精密切削淬硬GCr15轴承钢时切削力的特征、锯齿形切屑的形态和刀具的磨损特征，从表面粗糙度、硬化层深度、亚表层的白层现象、残余应力的分布和尺寸形状精度方面论证了PCBN刀具的硬态切削工艺在淬硬轴承钢精密切削中的可行性和可靠性。

1 硬态切削力的特征

硬态切削过程中，切削力是衡量整个工艺系统稳定性和切削加工精度的主要因素。试验在带有无级变速的CA6140车床上进行，采用应变式车削测力仪测量切削力，采用自然热电偶法测量切削温度，工件材料选用GCr15轴承钢，通过热处理工艺得到HRC30，HRC40，HRC50，HRC60和HRC64共计5种硬度的试件。

由于PCBN刀具材料的脆性，使用前一般都要进行大钝圆(200~400μm)和倒棱处理，在切削过程中，由于切削深度和进给量都较小，钝圆和负倒棱实际为主要参与切削的部分。受切削区形状的影响，PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢时径向力Fy通常最大，其次是主切削力Fz 和轴向力Fx，而且在粗加工中切削力大约为精加工的6~9倍。硬态切削过程中切削力几乎与进给量、切削深度和后刀面磨损量成线性关系。当切削速度增大时，切削力稍微下降，这主要是因为切削温度有所升高使工件的塑性增强，但这种性质的变化仅对应一定的切削速度范围。当接触角度小和切深较小时，径向力Fy非常大且超过了主切削力Fz，这时的切削条件比较差，可导致刀具淬裂，应适当提高进给量来改善这种不良切削条件。

2 切屑形态

硬态切削过程易生成锯齿形切屑，在切削加工不同硬度的轴承钢时发现，工件硬度对锯齿形切屑的影响最大。当工件硬度低于HRC50时，即便是大进给和高速切削也只能生成连续切屑，如图1(a)所示；当工件硬度超过HRC50后，可明显观察到切屑形态由连续切屑向锯齿形切屑过渡，形成如图1(b)所示的锯齿形切屑，其原因主要是由于刀具向前切削使受极大压力的切屑材料发生突然断裂。

(a)连续切屑(×120) (b)锯齿形切屑(×130)
图1 硬态切削过程的连续切屑与锯齿形切屑

实际上所有金属切削过程都包括断裂现象，即便是连续切屑形成过程也包括大量局部化微观断裂的产生，只是未能继续延伸并穿透切屑宽度，且分离区域不断被表层断裂塑性流动挤压，随着进一步变形，这些微观断裂被重新连接，从而掩盖了断裂现象。3 磨损特征

PCBN刀具切削淬硬轴承钢时，前刀面主要是月牙洼磨损，如图2(a)所示。由于PCBN刀具高温硬度高，只有达到一定的温度和压力后，才能使其产生磨损，因此月牙洼磨损只产生在距离刀刃很近的部分，而且宽度很窄。这一点有别于硬质合金刀具，同时也反映了PCBN刀具的刃口保持能力强，有利于实现淬硬钢的精密切削。PCBN 刀具切削淬硬轴承钢GCr15时的后刀面磨损形貌如图2(b)所示，从外观上看是以机械磨损为主的磨损带，同时粘有一些工件材料，但从形式上看与硬质合金刀具无明显区别，只是磨损量很小。

(a)前刀面磨损(×100) (b)后刀面磨损(×500)
图2 PCBN刀具的前刀面和后刀面磨损形貌 4 已加工表面完整性
用硬态切削取代磨削加工，其主要问题集中体现在如何保证获得理想的加工表面粗糙度、形状精度和加工表面状态。尤其当进给量和切削深度较小时，径向力往往大于主切削力和切向力，切削精度不易控制。
切削研究表明，淬硬轴承钢的延伸率小、塑性低，易形成良好粗糙度加工表面。如果机床和夹具具有足够的刚性，在合理切削条件下还可实现淬硬轴承钢的纳米切削。
选取5种不同硬度的GCr15轴承钢进行切削加工时发现，工件硬度超过HRC50时，硬度越高其表面粗糙度越好。这是因为当工件硬度大于HRC50时，切削力和切削热都有所下降，使得切削过程中工件的热膨胀和金属软化效应的作用减小，有利于提高切削表面粗糙度和加工精度。
采用PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢时发现工件表层和亚表层的组织状态有所变化，其微观组织由白色的未回火层和黑色的过回火层组成，是超细晶粒结构的奥氏体和马氏体的混合组织，表面呈白色，也称做“白层”，而且由于氧化磨损、扩散磨损和磨料磨损等机理的作用使工件亚表层的元素含量也发生了变化。
试验结果显示硬态切削后工件表面都为残余压应力，最大压应力位于工件表面以下50µm处，而磨削后工件的最大压应力主要集中在工件表面。残余应力与材料的成分、组织和缺陷一样，对工件的机械性能有较大影响，多数情况下必须控制残余应力的性质、大小及其分布规律。硬态切削过程中残余应力的产生被认为与切削热的形成及热源的移动速度、切削刃的几何形状、工件材料与刀具磨损等因素关系密切。目前关于残余应力和白层的形成尚未有明确的研究成果。

5 结论

1) PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢时径向力Fy最大，其次是主切削力Fz和轴向力Fx，粗加工切削力大致为精加工的6~9倍。
2) 硬态切削过程易形成锯齿形切屑，其作用机理为工件材料在巨大的压应力作用下宏观和微观断裂，生成锯齿形切屑的临界硬度为HRC50。
3) PCBN刀具的前刀面和后刀面磨损形式显示出刀具保持刃口的能力很强，这有利于PCBN刀具在切削淬硬钢时实现以车代磨。
4) 硬态切削后已加工表面为残余压应力，这对提高工件的寿命是有利的。硬态切削表面粗糙度可达到粗磨的精度，采用超硬材料PCBN刀具对淬硬轴承钢的精密切削加工是可行的。

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Oct 02 Thu 2008 12:16
A380飞机结构的先进材料和工艺www.tool-tool.com

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A380的寿命要达到40-50年，因此必须选用先进且新型材料和工艺技术，为未来飞机搭建技术平台。这些技术不仅经过了大量全尺寸试验验证而且经过了航空公司维修专家的评审（符合检查和维修标准）。

A380结构设计准则（见图1）。重复的拉伸载荷加上载荷的变化将会在金属结构内产生微小的疲劳裂纹。裂纹增长速度以及残余强度（当裂纹产生时）将指导选择何种材料。为了防止结构由外物损伤，需要考虑材料的损伤容限性能。

压力载荷需要考虑采用屈服强度和刚度好的材料，以增加稳定性。抗腐蚀能力是选择材料和工艺的另一个重要准则，尤其是在机身下部。选择材料和工艺目标的一部分是使结构轻量化。因此，复合材料是很好的选择，但必须了解设计准则和维修需要。材料的选择不仅仅是考虑设计准则，同时还要考虑生产成本和采购问题。

1. 新型且先进的金属材料

从 A380选材的分布来看（见图2），铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。尤其是在A380机翼部位（机翼的80%以上是铝合金材料）要提高性能。

A380-800飞机在铝合金结构上取得的主要成就包括：

·在机身壁板上引用了很宽的钣金材料，减少了连接件从而减轻了重量；

·在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件，在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美；

· 在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金，这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金；钛合金由于具有高强度、低密度，高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用，但是它的高价格使其应用受到限制。在A380的结构中，钛合金用量较空中客车其它机型有所增加，达到10%。仅仅挂架和起落架的钛合金用量就增加了2%。

·A380挂架的主要结构是空中客车公司第一次采用全钛设计。在A380飞机上采用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V，在B退火状态下最大的断裂韧性和最小的裂纹增长速度。

·在A380上第一次采用了新型钛合金VST55531，这种新的钛合金是空中客车公司与俄罗斯制造商共同开发的，能够为设计者提供良好的断裂韧性和高强度综合性能。这种合金目前用于A380飞机的机翼和挂架之间的连接件，进一步的应用还在研究当中。

2. A380复合材料的应用

A380复合材料的主要应用见下图3。

A380 是空中客车第一次大范围在大型民用运输机上应用复合材料的飞机。在空中客车公司，A310是第一次在襟翼盒上应用复合材料的飞机；A320是投产的第一架全复合材料尾翼飞机；A340飞机的机翼的13%重量是复合材料；而A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁。而A380飞机是空中客车第一次将碳纤维增强塑料（CFRP）应用于中央翼盒的飞机，这种结构与铝合金相比减重1.5吨。 A380上的中央翼盒重8.8吨，其中5.3吨是复合材料。面临的主要问题是翼根的连接和零件的厚度，复合材料零件的厚度能够达到45mm。但是有生产 A340/500-600则采用了碳纤维增强塑料龙骨梁（16m长，23mm厚，每根梁承载450吨）的经验。另外在A340-600飞机上还有襟翼翼盒、方向舵以及水平安定面和升降舵的整体复合材料设计经验。

A380飞机的CFRP水平尾翼与A310飞机的悬壁式机翼相近，而在中央翼盒上采用了合理的自动铺带技术。此外，上地板梁和后压力隔框也采用了CFRP材料。这些零件的第一个采用了挤压成形工艺，第二个试用了树脂模浸渍工艺和自动纤维铺放技术，最后由于形状的原因，最后选择了树脂模浸渍工艺。在后机身非承压部位由于是双曲度壁板，所以采用了自动化纤维铺放技术生产蒙皮壁板，高载荷承力框则采用高强铝合金加工，而承载较小的框则采用RTM制造工艺。A380机翼固定前缘为热塑性复合材料，能够减重并节约成本。这项技术已经在 A340-600飞机上验证，改善了损伤容限和可检测性，进一步的应用还在研究中，例如应用于机身的次承力支架系统。

机翼后缘移动面采用了CFRP，并在难以用一般技术获得的成形零件上采用了RTM技术，如移动面的铰链和翼肋零件。内侧襟翼与增升装置容易受到外来物的损伤，但考虑到减重问题，金属结构设计在这方面并不优于复合材料设计。因此，在A380飞机的襟翼跟踪梁的设计中采用了金属与复合材料的混合结构，在横向壁板和次承力翼肋处用CFRP代替了铝合金。另外，空中客车公司还首次将CFRP翼肋用于翼盒中代替铝合金。最终在襟翼的中外翼部分、襟翼的整流罩以及扰流板和副翼上也采用了CFRP材料。

在夹层结构方面，主要的创新是采用轻型蜂窝代替了原来使用的芳纶纸蜂窝。在A380上的典型应用包括腹部整流罩（超过300平方米）及地面这类大尺寸结构件。用整体设计概念代替夹层结构的发展趋势，有可能在A380的机身和机翼起落架舱门上得到应用。

但是复合材料技术的应用必须在合理的成本下提供高的性能。因此，在A380飞机上采用了自动丝束铺放、自动铺带、树脂膜浸渍以及树脂转移成型这些低成本生产技术，不仅能够生产大型复合材料零件，而且降低了装配成本。

3. GLARE 技术（见图4）

GLARE 蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮。采用GLARE工艺技术可以实现局部增强，并且厚度变化可以通过一次固化实现。这种制造方法相对于铝合金壁板来说可以增加机身宽度，从而减少了纵向壁板连接点。在机身上应用GLARE材料主要是由于其断裂机械性能好，能够显著提高抗裂纹增长能力。另一方面，玻璃纤维与铝合金相比弹性模量低，同样厚度下与普通铝合金Al2024相比刚性小15%。这是为什么在稳定性和抗弯能力要求高的结构零件中不选用GLARE材料的原因。GLARE材料相比铝合金的另一个优点是抗腐蚀及防火能力强，为此空中客车公司开展了许多局部及全尺寸样件的试验，以验证这种新材料的性能。自从1999年10月以为，德国空军就在A310多用途飞机的机身上采用了GLARE材料，该设计通过了验证并且发布了相关的结构修理手册。在A380-800飞机蒙皮上应用了大约500平米的GLARE材料。GLARE材料的进一步应用还在研究中，有望替代尾翼前缘，从而改善鸟撞性能。

4. 激光焊（见图5）

激光焊是空中客车公司在A318飞机上开发的用于机身下壁板制造工艺。该工艺在A380飞机上代替铆接首先应用于下机身壁板的桁条，从而使结构概念从组装结构过渡到整体结构，减少了裂纹增长。激光焊技术的发展还促进了可焊合金Al6056和Al6013的发展。用激光焊接的壁板已经过了压力试验并进行了单双曲度壁板的验证。结果证明该工艺不仅节约成本，而且提高抗腐蚀能力并可减重。激光焊在A380上的进一步应用可能是蒙皮与卡箍的连接部位以及起落架舱处的压力隔框。

5. 结论

A380飞机的大部件结构零件采用了新一代CFRP复合材料和先进的金属材料，除了减重效果外，还能提供更具优势的使用可靠性，且维护和维修更简便。主要创新包括：

·上机翼蒙皮采用了GLARE材料；
·在下机身蒙皮应用了6000系列铝合金和激光焊接技术；
·中央翼盒为碳纤维增强塑料；
·开发了一种先进的铝合金用于翼盒；
·采用了铝锂合金；
·采用了一种新型钛合金并且提高了钛相当于钢的比例。

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Oct 02 Thu 2008 12:11
有效利用新材料的刀具技术www.tool-tool.com

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切削加工的基本要求是快速而又成本低廉地生产高质量产品。这一要求与实现切削加工的高精度化、高效率化、低成本化紧密相关。近年来，切削加工技术在高速铣削、微细形状切削等领域有了快速发展。随着新型工程材料的开发应用以及零部件的进一步小型化、精密化，刀具制造商正积极开发适用于各种加工用途的高效刀具。

构筑快速生产系统

在以汽车业为中心的制造业设备投资和出口增长的牵引下，对刀具产品的需求日趋增长，刀具制造商纷纷在国内外扩大生产能力。随着全球性成本竞争的不断加剧，用户要求实现高附加值、高效率生产的呼声与日俱增。为适应交货期短、成本低廉的快速生产发展趋势，关键是要利用最小限度的生产设备实现长时间自动运转加工。推进生产现场合理化的有效方法是引入能将多道工序集成在一起的复合切削技术和能够高速、高精度切削包括淬硬钢在内工件材料的高速铣床等设备。

复合切削、高速硬铣削等先进切削技术是实现以最小限度生产设备高效、快速、柔性(适应不同品种、不同批量的生产)加工零件的生产方式的核心。但是，任何切削方式都离不开选用合适的切削刀具和确定合理的刀具使用技术。近年来，随着机床的高速化、高精度加工技术的进步和难加工材料切削的增多，刀具材料(陶瓷、硬质合金、TiC/TiN基金属陶瓷、涂层硬质合金等% 的进展也十分显著。

日新月异的刀具材料

刀具材料必须满足以下条件：硬度高、耐磨损、具有能抵抗切削抗力及振动冲击的高强度、良好的高温红硬性、容易热处理和加工成型等。在刀具材料中，硬质合金的特点是在高温下硬度也很少降低。其中，涂层硬质合金是以碳化钨系硬质合金为基体，在其表面涂覆一层或多层碳化钛(TiC)、氮化钛 (TiN)、氧化铝(Al₂O₃)等薄膜材料。由于涂层材料的耐熔结、耐磨损和耐热性能优于基体，因此能以超过基材的切削速度进行高速切削。此外，由于涂层的摩擦系数小，因此可以延长刀具的使用寿命。

高速铣削技术的发展要求刀具材料具备良好的的耐磨性、耐热性和强韧性，于是出现了许多在超细颗粒硬质合金基材上涂覆多层复合薄膜以提高切削性能的涂层立铣刀等产品。有的超细颗粒硬质合金材料的平均粒径在1µm以下，使刀具基体的韧性和抗弯强度明显提高。复合涂层是将多种涂层材料组合在一起，一层又一层地进行多层薄膜涂覆，以此提高刀具的切削性能。涂层材料除了适合高速切削钢件的碳化钛和氮化钛以外，现在还使用金刚石和立方氮化硼。最近又出现了具有纳米水平微细晶粒涂层的硅基纳米涂层刀具等，可用于高硬度钢的高速切削和软钢的高性能加工。

金刚石涂层是在硬质合金刀具表面涂覆具有强粘附力和高耐磨性的金刚石材料。金刚石涂层的组织特征是非晶成分少、纯度高、组织匀称而细微，适用于加工铝、铜等非铁金属和石墨等非金属材料，加工范围广泛。

硬度仅次于金刚石的立方氮化硼烧结体(CBN)(硬度HV3200～4000，约为硬质合金的2倍)具有卓越的高温硬度稳定性，在 1200～1300℃的高温下对金属尤其是钢铁类材料完全不起化学反应，因此非常适合耐热合金% 淬硬高合金钢等HRC40以上高硬度工件的精加工和以150m/min以上的切削速度加工镍铬铁合金、钨铬钴合金等难切削工件材料(但不适合断续切削加工)。

当然，CBN刀具的成本比其它刀具更昂贵，因此许多用户将使用过的刀片重新刃磨后再次使用，但是刃磨本身也需要成本。为了降低加工成本，近年来出现了采用很小的CBN刀尖，使用一次就废弃的刀具结构，对这种一次性刀具产品的需求正在不断增加。

图各种刀具材料的高温硬度与韧性的关系

整体硬质合金立铣刀是指从刀刃至刀柄用硬质合金整体制成的立铣刀，其加工对象包括普通钢、高硬度钢、难切削材料、树脂、铝合金等各种材质。此外，在超细颗粒硬质合金基体上涂覆氮化钛+铝(TiAlN，AlTiN)的涂层刀具产品也在不断开发出来。

梯度功能切削刃刀具是同时兼有金属陶瓷和涂层特性的梯度功能材料刀具。切削刃表层以下20µm的部分由耐磨性能极好的高硬度钛基陶瓷层构成，芯部则是越往深处强度越高的硬质合金。这种材料构成带有梯度结构，材料性能在不断变化。值得期待的是，这种刀具在具有可与陶瓷涂层相媲美的耐磨性和强韧性的同时，所加工出的工件又具有与用金属陶瓷刀具(具有硬质合金和陶瓷的中间特性)加工相似的精密表面。因此，迄今一直采用陶瓷涂层刀具进行粗加工，用金属陶瓷刀具完成精加工的这种分工在今后可能就不再需要了。

切削难加工材料的刀具开发

适合各种加工用途的新型刀具正不断开发出来。在此仅考察一下切削难加工材料用刀具、金属模具加工刀具、镗孔加工刀具和钻孔加工刀具的最新发展动向。

对难加工材料实现高效加工可以显著降低生产成本和提高产品质量。随着机床性能、刀具材料和刀具刃形设计的进步，针对难加工材料的切削技术也有了很大发展。用于切削难加工材料的刀具刃形有以下三种类型：①加工淬硬钢、高硬铸铁等高硬度材料时，刀具材料采用CBN 和陶瓷，刀具切削刃设计为负前角：②加工不锈钢和钛合金材料时，铣刀切削刃采用正的大前角：③加工铝合金等软质金属时，刀具刃形采用超大前角和大后角。

飞机和发电设备零部件大多使用耐热超级合金和钛合金等难加工材料制造，并常常采用整块金属毛坯直接切削成形。然而在不少加工场合，由于工件材料的可切削性差，造成加工效率低、刀具寿命短，需要消耗大量加工时间和刀具。例如，Ti6Al4V是一种极具代表性的钛合金材料，也是一种典型的难加工材料。它具有很高的比强度以及优异的耐热性和耐腐蚀性，同时化学活性较强，在切削加工时易与刀具发生化学反应，尤其在高速切削时会出现剧烈的粘附现象，造成刀具损坏。因此，一般认为对Ti6Al4V进行高速切削时将切削速度调至150m/min 比较适当。

加工耐热合金等难加工材料的其它问题还包括工件热传导率低，切削热易集中于切削刃刀尖部位，刀具与工件容易粘附在一起等。解决这些问题的方法是通过对刀具的螺旋角、截面形状、切削角度以及硬质合金材料和涂层的最佳设计来提高刀具的耐热性和抗粘附性。例如，45°螺旋立铣刀通过增大螺旋角，可以增加刀刃锋利度，降低切削阻力，抑制切削温度的上升和工件材料的粘附。

考虑到耐热超级合金和钛合金的特性，在选择加工刀具时，要求刀刃锋利，易于散热，并具有良好的韧性和抗切屑粘附性等。但是，不同种类的耐热超级合金和钛合金的加工性能各不相同，在实际加工中要根据工件的材质、形状、夹紧方式、机械刚性等特点慎重选用刀具。通过选用合适的切削刀具和加工条件，可以实现钛合金等材料的高速、高效切削加工和延长刀具寿命。

高性能模具加工刀具的开发

使用金属模具进行注塑加工能够低成本、大批量地快速生产相同形状的工件。最近，高精度的小型或薄型零部件也能采用注塑方式加工，但其前提是需要制作高精度的金属模具。

用于加工金属模具的刀具对切削性能的要求较高。为了适应高精密模具的加工，已开发出了各种长寿命、高可靠性的整体硬质合金立铣刀，对刀具性能的改进包括采用(Ti，Al)N涂层、将容屑槽设计成波浪形三线槽、调节切屑与刃端前角的接触面以提高切屑流出性能等。此外，还开发了切削阻力小、锋利度高的球头立铣刀等模具加工专用高效刀具。

一般来说，加工HRC60以上的高硬度材料(如淬硬钢) 需要采用CBN刀具，因为刀具与工件的硬度差越大，刀具的寿命就越长，切削淬硬钢等高硬度工件时，使用硬度更高的CBN刀具比使用陶瓷刀具更为有利。

涂层硬质合金立铣刀一直被认为很难加工硬度HRC60以上的工件材料。对于精度要求较高的机械零部件和金属模具加工，由于淬硬材料硬度高、切削阻力大，立铣刀的切削速度和切削深度不得不受到一定影响。

加工小型零部件用防振型镗杆

镗杆是深孔镗削加工的必备工具。最近，为了适应IT产品零部件等轻薄短小化工件的加工需要，正在大力开发相关的防振型镗杆。

计算机、手机、数码相机、DVD收录机等家电产品以及IT相关设备需求的增加大大改变了发达国家的产业结构。对组装在这些产品中的小型零部件的切削加工需求也日益增多。对于小型零部件的切削加工，即使将主轴转数设定为高速，但由于工件直径很小，因此切削速度只能停留在低速范围。至今仍有不少厂家还在使用高速钢刀具或钎焊式硬质合金刀具进行切削加工。但是，随着刃磨设备的老化和技术人员的高龄化，钎焊式刀具的制作和重磨都越来越困难，加上重磨费用，进一步增大了刀具成本。随着零部件加工的高精度、高效率、低成本化发展趋势，要求采用不重磨硬质合金刀具高效加工小型零部件的呼声越来越强烈。

对于镗削这种刀具悬伸量较大的加工，刀具的防振性能是不容忽视的大问题。与传统镗杆相比，防振型镗杆不容易产生振动，即使出现振动也可很快衰减。目前开发出的刀具将柄部设计成高刚性结构，安装一次性使用的刀片，将容屑槽设计为仅保留最小限度空间的结构，以防止刀具刚性下降。

加工周期明显缩短

钻孔加工经常受到用户要求实现高速化、高精度化的严峻考验，这是由于钻削加工在整个机械加工中占有很大比例，其加工水平直接关系到产品质量的提高和生产成本的降低。此外，如何减轻加工现场的环境负担，钻头也起着示范作用。

近年来发展令人瞩目的是整体硬质合金钻头，其加工能力可比高速钢钻头提高5倍以上，刀具寿命则是高速钢钻头的10倍左右。采用超细颗粒硬质合金的整体硬质合金钻头可用于碳钢、合金钢等普通钢，不锈钢等特殊钢，模具钢、淬硬钢等高硬度钢，灰口铸铁、球墨铸铁，铝合金、铜合金等工件材料的钻孔加工。许多钻头使用PVD(物理气相沉积) 工艺进行了TiN、(Ti，Al)N等涂层处理。由于刀具韧性和可靠性的提高，即使在断续切削等切削刃要承受机械冲击和高热影响的不稳定切削状态下，钻头也不易发生崩刃和缺损。整体硬质合金钻头也适用于高硬度钢、不锈钢、耐热超级合金等难加工材料的钻孔加工。

目前，铝的半干式切削加工已在部分用户中实际应用。为了进一步提高刀具的使用寿命，刀具制造商和涂层公司正在探讨如何以PVD方式将DLC(Diamond Like Carbon，类金刚石碳)等涂覆在刀具表面上。可以预计，为了实现产品的轻量化，铝制零部件的使用今后将进一步增加。为了保护环境和降低成本，对干式、半干式切削加工的需求也将不断增大。为了满足这些需求，将不断开发出最适用的刀具。为了满足用户对刀具日益提高的要求，刀具制造商将以提高加工效率为目标，在刀具材料、涂层、刀刃设计等方面进一步加强研究与开发。

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Oct 02 Thu 2008 12:05
干式切削及其刀具技术www.tool-tool.com

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1 前言

切削液通常是大多数机加工中不可缺少的生产要素之一，对保证加工精度、提高表面质量和生产效率具有重要作用。随着全球环境意识的增强以及环保法规的要求越来越严格，切削液对环境的负面作用也越来越明显。据统计，二十年前，切削液的费用不到工件成本的3%左右，目前，在高生产率的生产企业，切削液的供给、保养及回收处理费用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具费用仅占2%-5%。在与切削液有关的总费用中，有22%左右是切削液的处理费用。据估计，如果20%的切削加工采用干式切削加工，总的制造成本可降低1.6%。对环境无污染的绿色制造被认为是可持续发展的现代制造业模式。而在加工过程中不用任何切削液的干切削正是控制环境污染源头的一项绿色制造工艺，它可获得洁净、无污染的切屑，省去了切削液及其处理等大量费用，可进一步降低生产成本 3。因此，未来切削加工的方向是不用或用尽量少的切削液。随着耐高温刀具材料和涂层技术的发展，使得干加工在机械制造领域变为可能。干切削 (DryCutting)技术就是在这样的历史背景下应运而生，并从九十年代中期以来迅速发展起来的，其发展历史至今不过十年，是先进制造技术的一个前沿研究课题。

2 干切削技术

干式切削是一种在加工过程中不使用切削液的加工方法。干切削不是简单地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品质量、高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性，这就需要用性能优良的干切削刀具、机床以及辅助设施替代传统切削中切削液的作用，来实现真正意义上的干切削。首先，要了解切削液在传统切削过程中的作用，一般切削液有三个主要作用:1)冷却作用，带走切削产生的热量，减少刀具磨损，防止工件表面氧化;2)润滑作用，减小摩擦，降低切削力，保证切削顺畅;3)排屑作用，迅速带走工件表面的切屑，并防止切屑划伤工件表面。但从环境保护方面考虑，切削液的负面效应也愈加明显，主要表现在以下几个方面:1)加工过程中产生的高温使切削液形成雾状挥发，污染环境并威胁操作者的健康;2)某些切削液及粘带该切削液的切屑必须作为有毒有害材料处理，处理费用非常高;3)切削液的渗漏、溢出对安全生产有很大影响;4)切削液的添加剂(如硫、氯等)会给操作者的健康造成危害并影响加工质量。另外，对切削过程的大量研究也表明了切削液传统的冷却、润滑和排屑等作用在很多加工过程中尤其是高速切削中得不到充分而有效的发挥。因此，人们试图不用或少用切削液来改变这种状况，以适应清洁生产工艺和减小生产成本的要求。干切削加工技术就是在这种情况下产生的一种先进加工方法。采用干切削技术不仅可以减少切削液的环境污染，改善操作者的工作条件，而且省去了切削液的相关费用，降低了切屑回收处理的成本。干切削技术对机床和刀具技术提出了更高的要求。近年来工业发达国家非常重视干式切削研究。干式切削加工这种新型加工方法是未来金属切削加工的发展趋势之一。

3 干切削技术研究的现状

干切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际生产工程研究会(CIRP)年会上，德国Aachen工业大学的F.Klocke教授作了“干切削”的主题报告;1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B.P.Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告，干切削技术已经在各国工业界和学术界引起广泛的关注。目前包括欧洲、美国和日本等工业发达国家，非常重视干切削的研究，干切削技术已经成功应用到了生产领域，这与这些国家的工业基础雄厚和环保法规特别严格有一定的关系。其中德国企业尤为普遍，在大批量生产中，已有10%-15%的加工采用干切削技术，并且取得了良好的经济效益，世界许多知名的机床厂商在他们的产品目录中都有干切削机床加工中心。日本在干切削方面也进行了大量研究，最近他们已开发成功几种不使用切削液的干式加工中心。在其中的一种机床上，装有液氮冷却的干切削系统，从空气中提取高纯度氮气。在常温下以5-6个大气压的压力将液氮送往切削区，可顺利实现干切削。

我国干切削技术的研究也已起步。成都工具研究所、山东工业大学和清华大学等单位对超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、金刚石等)及刀具涂层技术进行过系统的研究，并取得了不少的研究成果。我国陶瓷刀具目前已形成了一定的生产能力，这些都为干切削技术的研究与应用提供了初步的技术基础。北京机床研究所开发成功的KT系列加工中心能实现高速干切削。但总的来说，我国在干切削理论研究方面和国外还存在较大的差距，在工业中的应用规模更小，有待于我们今后加快研究与推广应用。

4 干切削的刀具技术

干切削技术是一项庞大的系统工程，需要从刀具技术、机床结构和工艺过程等各方面采取一系列的措施。本文将重点介绍干切削的刀具技术。

设计干式切削刀具时，不仅要选择适用的刀具材料和采用的涂层，而且应当综合考虑刀具材料、刀具涂层和刀具几何形状之间的相互兼顾和优化。不同的切削加工方式对刀具设计提出了不同要求，干式切削刀具必须满足以下条件:1)刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性;2)切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小;3)刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热;4)刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。下面分别从刀具材料、涂层和几何形状三个方面讨论。

采用新型的刀具材料

图1 不同材料硬度和温度的关系

近十几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是:超细硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料。图1列出了几种刀具材料的硬度与温度的关系。超细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，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式加工。陶瓷刀具(Al₂0₃,Si₃N₄、金属陶瓷(Cennet)等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削而无须冷却液[1131。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于进行断续切削。也就是说，陶瓷刀具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，达 HV3200～HV4000，仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好。采用CBN刀具加工铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。聚晶金刚石(PCD)刀具硬度非常高，可达HV7000～HV8000，热导率可达 2100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。

采用涂层技术

对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。近十年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料多达15种，有的刀具在刀体上的涂层多达13层。涂层工艺也越来越成熟，随着技术的发展，现已解决了涂层与基体材料结合强度低的技术难题。涂层刀具分两大类:一类是“硬”涂层刀具，如TiN,TIC和Al₂0₃等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。另一类是“软”涂层刀具，如:MOS₂,W S等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能有效减少切削力和降低切削温度。例如瑞士开发的“MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MOS₂。切削实验表明:未涂层丝锥只能加工20个螺孔;用TiAlN涂层丝锥时可加工1000个螺孔，而MoS₂涂层的丝锥可加工4000个螺孔。高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后，可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的CBN刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合金。

实际上，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。TiAlN涂层和Mo₂软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。
刀具几何形状设计

干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。

近几年来，国外开发了许多大前角车削刀片(如美国Carboloy公司推出的一种ME-13新型硬质合金刀片上的前角达34°)和带正前角的螺旋形刀刃铣削刀片(这种刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角，背前角或侧前角可由负变正或由小变大)，旨在减少机床的驱动功率，并通过减小切削力，降低切削温度来满足干切削时对刀具的要求。

日本三菱金属公司开发出一种适用于干切削的“回转型车刀”，该刀具采用圆形超硬刀片，刀片的支持部分装有轴承，在加工中刀片能自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有工效高、加工质量好、刀具寿命长等特点。

图2 热管式刀具结构

还有一种热管式刀具也可以获得较理想的干切削效果。图2所示为热管式车刀。它们的结构与普通车刀基本相同，所不同的是在刀杆体内部制成了热管。热管内的工作介质一般为丙酮、乙醇和蒸溜水三种。热管是一种高效的传热元件，它利用的是沸腾吸热和冷凝放热这两个最强的传热机理，热管的热导率是相当的银、铜棒的几百倍。热管刀具是一种自冷却刀具，故无需再从外部浇注切削液，尤其适合于在数控机床、加工中心和自动生产线上应用。

5 总结和展望

干式加工与湿式加工相比，不但提高了生产效率，降低了生产成本，而且有利于环保，是一种理想的、清洁的金属切削加工方法。干切削技术从出现到现在不到十年的历史，它是一种新兴的绿色制造技术。二十一世纪的制造业对绿色环保的要求越来越高，干切削技术作为一种绿色制造工艺对于节省资源、保护环境和降低成本具有重要意义。随着机床技术和各种超硬耐高温刀具材料及其涂层技术的迅猛发展以及相关工艺研究的深人，干切削技术必将在金属切削领域得到广泛的应用。

作者：华中科技大学吴克忠陈永洁朱丹丹

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Oct 02 Thu 2008 11:58
干式切削及其在齿轮加工中的应用www.tool-tool.com

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干式切削工艺的成败，关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法。目前，比较成功的干式切削法有两种：高速干式切削和低温冷风切削。

一、高速干式切削与低温冷风切削
高速干式切削法
该加工方法是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。干式切削必须选用适当的切削条件。首先，采用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件间的接触时间，再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。随着数控技术的广泛使用，机床刚性和动态性能不断提高，提高机床的切削速度并非难事。实践证明，当切削参数设置正确时，切削产生的热量80%可被切屑带走。
高速干式切削法对刀具有严格的要求：①刀具应具有优异的耐高温性能，可在无切削液条件下工作。新型硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等切削材料是干式切削刀具的首选材料；②切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小（最有效的方法是刀具表面涂层），并辅以排屑良好的刀具结构，减少热量堆积；③干式切削刀具还应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。
低温冷风切削
该切削方法是一种用-10～-100℃的冷风和非常微量的植物油代替冷却和润滑油剂冷却的加工方法。它由日本明治大学的横川和彦等最先提出。研究发现，在金属切削加工过程中，如果只给加工点提供非常微量、润滑效果良好且未氧化的植物油，加工点就会因高温而丧失润滑性。若给加工点提供冷风 (-10～-100℃)，就可以防止加工点的高温化，避免上述情况发生。
冷风切削时切削性能大大提高。试验表明，冷风切削、磨削在性能方面比油剂切削、磨削提高了2倍以上。有、无植物油切削剂与冷风时的切削性能对比情况。可以看出，仅使用冷风切削就比使用植物的效果好，而冷风与微量植物油一起使用时，刀具的切削性能进一步加强。试验时的切削条件：工件直径：f92～f98mm，切削速度：45.1～48.0m/min，进给：0.5mm，切削刀具：刀尖半径R0.4，相当于SKH4高速钢，不重磨刀片。
▲无精密润滑油，无冷风加工；■有精密润滑油，无冷风；
●有精密润滑油，有冷风；◆无精密润滑油，有-16.7℃冷风
有、无植物油切削剂及冷风时的切削性能
使用温度非常低的强冷风加工时，为防止油剂冻结而丧失润滑性，可在加工前，在刀具表面涂上微量的植物油，然后给加工点供应强冷风。即不让强冷风与油剂混在一起，效果会更好。使用微量植物油剂，不但降低了切削能耗，而且还消除了工件锈蚀现象。
二、干式切削在齿轮加工领域的应用
新的硬质合金涂层方法和数控机床的使用，使圆柱齿轮制造出现新趋势：无冷却的硬质合金刀具高速切削。若工艺参数按最佳设置，可使加工时间短，刀具寿命更长。日本三菱公司、美国格里森公司等都在这方面开展了卓有成效的研究。
日本三菱公司推出了世界上第一套干式滚切系统。它采用的切削速度是传统滚切速度的) 倍，可达到200m/min。干式滚切对滚刀有特殊的要求，三菱公司设计的专用干式滚刀，采用MACH7高速钢，表面涂有专用涂层，有助于散热并减少刀具损耗，其寿命可延长到一般湿切方式的5倍。这一系统在加工汽车末级传动齿轮、大型载重齿轮、汽车小齿轮及行星齿轮时效果都很理想，生产成本至少降低40%。
美国格里森公司用硬质合金滚刀在Phoenix机床上用干式切削法加工锥齿轮，与传统的高速钢刀具湿式切削法相比，降低切削时间为50%，而且齿轮的表面粗糙度显著降低和几何精度也大大提高，加工精度可达AGMA12～13级。该公司生产的GP系列滚齿机，以其独特的设计，使其干切质量能与湿切质量媲美。其床身设计成大角度斜坡，以利切屑流动。床身内部循环冷却，以利于维持热平衡。此外，机床还配有一套真空除屑除尘系统。这一系列滚齿机，滚切转速可达 3000r/min。
高速干式切削法有如下优点：首先，由于它省去了油屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，因此，机床结构紧凑。其次，这种方法极大地改善了加工环境；加工费用也大大降低。为进一步延长刀具寿命、提高工件质量，可在齿轮干式切削过程中，每小时使用 10～1000ml润滑油进行微量润滑。这种方法产生的切屑可以认为是干切屑，工件的精度、表面质量和内应力不受微量润滑油的负面影响，还可以用自动控制设备进行过程监测。
美国费特公司(LMT-Fette)用硬质合金刀具干式滚切齿轮，使齿轮单件加工时间和成本明显降低。日本坚藤铁工所开发的KC250H型干式滚齿机，采用硬质合金滚刀、冷风冷却、微量润滑，进行高速滚齿，由于供给的是温度稳定的冷风，工件的热变形极小。它与传统的采用高速钢滚刀KA220型湿式滚齿机相比，加工速度提高了3.2倍，齿轮精度也明显提高。
三、小结
干式切削与湿式切削相比，不但极大地提高了机床生产效率，降低了工件加工成本，而且有利于保护环境，节约自然资源。在国外，干式切削的研究和应用都比较广泛，据有关部门统计，目前在西欧已有近一半企业采用干式切削加工。国内虽有部分机构在从事这方面的研究工作，但在齿轮加工领域内的应用还是空白。
ISO和JIS14000系列标准分别于1996年制定生效，这些标准对环境管理及监测有严格的规定。它们的实施，无疑是对我国机床产品出口的又一次挑战。为提高我国产品的技术含量和工艺创新能力，在国际市场竞争中立于不败之地，开展干式切削加工技术的研究和开发是十分必要和迫切的。

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