概 述随着人们对环境保护意识的增强和研究的不断深入，切削液使用所带来的负面效应也越来越 明显，侵蚀地面、污染水源和空气。此外，切削液种类繁多，添加剂各式各样，使其处理难度越来越大，处理费用随着不断增加。同时切削液供应装置也使得工艺系 统变得复杂。为了消除切削液带来的负面效应，除开发新型切削液外，最有效的方法就是取消切削液，即进行干切削加工。干切削加工是理想的绿色制造工艺方法。 但干切削并不是简单地取消切削液就能实现，有意义且经济可行的干切削加工要求仔细分析特定的边界条件和掌握干切削加工的复杂因素，并为干切削工艺系统的设 计提供所需的信息数据。干切削的应用越来越广泛。目前在西欧已有近一半企业采用了干式切削加工，德国企业尤为普遍。日本的“生产设备市场”杂志选出的 １９９７年日本工厂自动化行业的国内１０大新闻中就包括“保护环境的加工技术具体化”。由此可见，干切削加工技术将成为未来加工技术的主要发展方向之一。 干切削加工由于不采用切削液，刀具工作条件更为恶劣，寿命也会缩短。因此，除选择合理的刀具材料及进行适宜的涂层外，刀具几何参数的选择与设计对干切削具 有至关重要的作用。 二、干切削加工对刀具的要求干切削加工由于不用切削液，对刀具也就提出了更高的要求，主要表现在：１．刀具应具有优异的耐高温性能 目前的刀具材料，如高性能硬质合金、聚晶陶瓷和ＣＢＮ等有足够的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。国外的某些刀具生产厂家已开始提供用于干切削的 刀具。此外，最有效的方法就是对刀具进行涂层。涂层可阻止将热量传递到刀具基体，能保证刀具切削刃锋利，使刀头硬度不会很快下降，可大大提高其耐高温性 能。２．切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小，以减小切削力和粘结磨损干切削加工时，切削区产生的高温是刀具使用中产生化学不稳定性的主要因素。切削区产 生的高温会使刀具与切屑之间的摩擦增大，极易产生积屑瘤，加剧刀具磨损，因此，减小切屑和刀具之间的摩擦系数就显得非常重要。最有效的方法就是进行刀具表 面涂层，并辅以排屑良好的刀具结构。如大螺旋角ＴｉＡｌＮ涂层丝锥就是具有这种性能的干切削刀具。３．结构排屑要方便快捷，减小热量堆积干切削加工中，为 了保证工件加工质量和刀具具有一定的寿命，因而传入其中的热量就应尽可能地少，这样在产生相同热量的情况下，切屑必须带走更多的热量，这就要求刀具必须能 够快速排出切屑，即尽可能以最高的金属切除率进行加工，这样可使刀具和工件之间的接触时间最短，传入工件和刀具的热量就会大大减少，当然机床的布局也要适 应高温切屑并尽可能使其快速离开工作区。４．刀具材料应有更高的强度和耐冲击韧性要满足上述这些要求，一方面是选择适宜的刀具材料，常用于干切削的刀具材 料有超细晶粒硬质合金、陶瓷和金属陶瓷刀具材料、金刚石和ＣＢＮ等，也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层，如ＴｉＡｌＮ涂层、ＴｉＣＮ涂层、 ＴｉＡｌＮ＋ＭｏＳ２涂层、类金刚石ＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）涂层等。ＣＢＮ可用于干切铸铁、过共晶铝合金、各种钢和钛合金 等。在干切削加工中，也可以选择标准几何形状的刀具进行加工，但它不能获得像加注切削液时的刀具性能。欧洲的刀具制造商已开发出了许多有利于干切削加工的 刀具几何形状，设计制造了能较好控制切屑形成和便于排屑的断屑槽几何形状，尤其是还设计出能控制积屑瘤产生和防止或减小刀具磨损的几何形状。 三、干切 削刀具设计要点及应用 １．干式车（铣）刀具设计要点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。此 外，配合大的刀尖前角，再选择大的刀尖后角，可使刀具刃口楔角增大，减轻刀具与已加工表面之间的接触长度，有效降低后刀面的磨损和破损概率。在车削或铣削 加工中，切屑通常带走大部分热量，对于普通铣削或车削刀具，由于切屑和前刀面接触面积大，会使积聚的热量增加，产生月牙洼磨损，降低刀具寿命。而采用如图 １所示的几何形状刀片，则会大大减少刀具与切屑之间的接触面积，使切屑带走大量热量。图２所示为干切削加工（车削或铣削）和普通加工的加工过程示意图。由 图可见，当切屑流过普通刀片前刀面时，由于接触面积大，传入刀具的热量也多，从而产生月牙洼磨损，降低刀具寿命；而采用图１所示的刀片，刀具前刀面上有加 强棱，刀具与切屑的接触面积也大大减小，绝大部分热量被切屑带走，切削温度可比普通刀片降低约４００℃，同时也增大了剪切角，使刀具寿命显著提高，可允许 采用更高的切削速度，若保持普通的切削速度，则刀具寿命可提高３～４倍。对于陶瓷刀具，由于其脆性较大，因此，选用Ｔ型或双Ｔ型棱面或研磨，或几种方法的 组合。如美国Ｖａｌｅｎｉｔｅ公司推荐将０．５×３０°的Ｔ型棱面用于Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＣ刀片，干式加工淬硬钢，并尽量采用大的副偏角。根据不同刀片几何 形状，半精车时的刀具副偏角为－５°～－３０°，常用的刀片几何形状是正方形、三角形和８０°菱形。对ＣＢＮ刀具，倒棱太大，加工淬硬钢时，在刃口产生高 温，使刃口很快磨损，因此，一般不采用大倒棱，刃口可采用斜面或倒圆及负前角，尽可能大的副偏角，建议取值范围为：１５°～２５°×０．２５ｍｍ的Ｔ型倒 棱，再进行０．０１～０．０３ｍｍ的研磨。 ２．干式螺纹加工刀具设计要点图１ 干铣削刀片的几何形状ａ）普通切削 ｂ）干切削刀片切削图２ 干切削 和普通切削的加工过程比较 德国Ｅｍｕｇｅ螺纹刀具厂为减少环境污染，研制开发了ＫＯ丝维，即生态有效丝锥，它可在较广范围的材料上攻丝而无须切削 液。为了完成干式攻丝，在丝锥参数设计时必须考虑以下几方面的问题：１）丝锥几何参数要使其有低摩擦阻力，以获得尺寸准确和表面粗糙度值小的螺纹；２）丝 锥槽型设计应使切屑易于卷曲，并自由离开螺孔；３）对丝锥表面进行涂层处理，以获得理想的表面状态，保护丝锥。这种丝锥的尺寸范围有２种，即Ｍ５～Ｍ１０ 的加强柄丝锥尺寸系列和Ｍ１２～Ｍ２０的丝锥尺寸系列。干切削加工钢件螺纹的丝锥槽型通常为螺旋槽，加工通孔螺纹和盲孔时的螺旋角大小不同。如加工盲孔螺 纹时，往往采用３５°的大螺旋角；当孔深大于２倍丝锥直径时，可采用小螺旋角，通常取为５°，此时丝锥切削锥部长度为２～３牙。而干切削加工铸铁螺纹时， 无论是通孔还是盲孔，丝锥槽型均为直槽，其切削锥部长度为２～３牙。对于小直径丝锥，为了提高其强度和刚度，其槽型也可设计成特殊形状，如无槽挤压丝锥。 无槽挤压丝锥用于加工小直径螺纹或塑性较大材料上的螺纹是非常有效的。干切削加工丝锥通常均需进行涂层处理，常用的涂层有ＴｉＮ或ＴｉＣＮ。图３所示是用 无槽挤压丝锥干式挤压螺纹与有切削液切削丝锥加工Ｍ５×０．８螺纹孔数量比较。试验条件： 工件材料：纯铝ＬＹ—２ 机床：ＡＧ—３２螺纹孔形状：盲 孔，螺纹长１１ｍｍ底孔直径：４．２ｍｍ（切削），４．５ｍｍ（挤压）切削速度：１５ｍ／ｍｉｎ（切削），１０ｍ／ｍｉｎ（挤压）图４则是湿式攻丝与干式 攻丝所加工的螺纹孔数比较。由图可以看出，普通挤压丝锥加工１００个螺纹孔时，切削部分的螺纹牙型就产生粘结现象，与此相图３ 干式与湿式攻丝加工比较 比，干式挤压丝锥寿命可提高８０倍。由于受试验试件数量的限制，仅作了有限次试验，但其结果反映了干式攻丝的可能性。加工条件：Ｍ６×１—ＧＴＰ通孔螺 纹，工件材料：锌钢板，螺纹长度３．２ｍｍ，底孔直径：５．５５ｍｍ，切削速度：１５ｍ／ｍｉｎ。 除此之外，作者对在Ａ３、４５钢等薄板件（２ｍｍ 以下）上加工螺纹的工艺进行了探讨，采用了新型底孔成孔工艺，并成功地应用了干式切削及挤压螺纹工艺，采图４ 湿式切削与干式切削螺纹的螺孔数比较用专门 设计和制造的底孔成形刀具和涂层挤压丝锥可使底孔和螺纹的加工同时完成，避免了原有工艺需要焊接螺母或设计制造专用模具冲孔的麻烦，一举解决了长期困扰汽 车、钣金等行业的薄板件螺纹加工工艺，并具有优异的加工效果。干切削加工刀具及其设计@刘志峰$合肥工业大学机械系!230009干切削;;刀具设计;; 加工技术;;工艺方法适宜的刀具材料和刀具几何参数是干切削加工的关键条件之一。在分析干切削加工对刀具要求的基础上，阐述了干切削刀具设计的要点，并结 合应用实例说明了刀具设计对干切削加工的重要性。度，则刀具寿命可提高３～４倍。对于陶瓷刀具，由于其脆性较大，因此，选用Ｔ型或双Ｔ型棱面或研磨，或几 种方法的组合。如美国Ｖａｌｅｎｉｔｅ公司推荐将０．５×３０°的Ｔ型棱面用于Ａｌ２Ｏ３＋ＴｉＣ刀片，干式加工淬硬钢，并尽量采用大的副偏角。根据不同 刀片几何形状，半精车时的刀具副偏角为－５°～－３０°，常用的刀片几何形状是正方形、三角形和８０°菱形。对ＣＢＮ刀具，倒棱太大，加工淬硬钢时，在刃 口产生高温，使刃口很快磨损，因此，一般不采用大倒棱，刃口可采用斜面或倒圆及负前角，尽可能大的副偏角，建议取值范围为：１５°～２５°×０．２５ｍｍ 的Ｔ型倒棱，再进行０．０１～０．０３ｍｍ的研磨。 ２．干式螺纹加工刀具设计要点图１ 干铣削刀片的几何形状ａ）普通切削 ｂ）干切削刀片切削图２ 干切削和普通切削的加工过程比较
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