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在 传统的金属切削加工中,切削液能起到降低切削温度的作用,也有利于断屑和排屑。但切削液的使 用、存储、保洁和处理等都十分烦琐,且成本很高。切削液对环境和操作者身体健康的危害很大。切削液的处理不经济,引起了费用增加。据美国企业的统计,在集 中冷却加工系统中,切削液占总成本的14%～16 % ,刀具成本只占2 %～4 % .据测算,如果2 0 %的切削加工采用干式加工,总的制造成本可降低1.6 %。因此,未来加工的方向是采用尽量少的切削液,由于切削材料和涂层使得干加工在机械制造领域变为可能,对环境有利和降低制造总成本的方法干式加工逐渐得 到推广应用。在干式加工中,刀具的工作环境恶劣,使刀具的寿命缩短,因此在进行干式刀具设计时应综合考虑刀具的几何参数、刀具材料及刀具涂层。1 干式加 工对刀具的基本要求(1)为适应干式加工对刀具加工性能的要求,刀具材料应具有高强度、硬度和良好的耐热性、耐冲击韧性等机械物理性能。(2)干式加工会 显著提高加工区域的温度,增大刀具与切屑之间的摩擦阻力,容易产生积屑瘤,加剧刀具磨损。为增加刀具切削刃的耐高温、耐磨损性能,可对刀具表面进行适当的 涂层处理,以起到减小切削力和切削功率、减小刀具与切屑的摩擦阻力、阻隔切削热、减小刀具磨损、延长刀具寿命的作用。(3)排屑和散热是干式加工中需要解 决的重要工艺课题。为提高加工质量、延长刀具寿命 ,应对刀具的排屑槽结构进行优化设计,以保证排屑流畅、散热迅速。2 干式加工刀具设计(1 )几何参数 干式切削时,由于刀具与切屑接触部位温度过高,刀具的磨损机制通常以月牙洼磨损为主。一般情况下,干式切削刀具应具有较大的前角和刃倾角,但 增大前角又会降低刀尖强度,为此可设置合适的负倒棱或前刀面加强单元,使切削刃对切削力和切削高温具有足够的承受能力,同时又可减轻切削冲击和因月牙洼扩 展造成的不利影响,使切削刃在较长切削时间内保持足够强度。此外,适当加大刀尖前角、后角及刃倾角,可缩短刀具与加工表面的接触长度,有利于减轻后刀面磨 损,延长刀具使用寿命。用金属陶瓷、陶瓷、CBN和PCD制造的刀具比硬质合金要脆得多, 不能经受太多的压力,因此用这些材料制造的刀具必须结合其特点进行设计,即对它加强支撑、分散压力。例如,为了要改变磨削力的方向,使力从切削刃往里向着 刀体,切削刃必须经过加工—刃口准备。有这样三种刃口准备而且其大小还要适当:T型刃带、强化、T型刃带强化。陶瓷刀具脆性较大,可以选用T型或双T型棱 面,或者研磨,或几种方法组合。如美国Valenite公司推荐将0.5×30°的T型棱面用于Al2 O3 +TiC刀片,干式加工淬硬钢,并尽量采用大的余偏角。根据不同刀片几何形状半精车时的刀具余偏角为- 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,在刀具与工件接触处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,尽可能大的余偏角。建议取值范围为: (15°～25°)×0 .2 5mm的T型倒棱,再进行0 .0 1～0 .0 3mm的研磨<1> 。刀具设计者除了针对工件确定最适合的刀具刃口外,还必须优化刀具的几何角度和排除切屑能力。通过增加后角来减小切削力和对刀具的压力,也降低了切削区的 温度。要使正前角尽可能地大,这样由于较好的剪切作用能减少切削力。宽阔的容屑槽有助于切屑的排除,尤其是对钻削和螺纹加工。深孔加工刀具附加问题是很难 将切屑排出,因此刀具设计必须保证:好的切屑排出效应。在很小的加工力的情况下,设计原则为:大前角和大圆度切削角。干式加工钢件螺纹的丝锥其槽型通常为 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5°,此 时丝锥切削锥部长度为C/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C /2～3牙。对于小直径丝锥,为了提高强度和刚度,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<1>。(2 )刀具材料 适合干式加工的刀具材料的最重要的性能是耐高温性。如果采用大的前角,还要考虑高硬度。目前适用于干式加工的刀具材料有超细晶粒硬质合金、 CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。①硬质合金 WC基硬质合金主要发展方向是细和超细晶粒硬质合金。超细晶粒硬质合金的抗弯强度可以达到430 0N/mm2 。比高速钢〔(2 5 0 0～380 0 )N/mm2 〕的抗弯强度还要高。因此,超细晶粒硬质合金具有较高的硬度、耐疲劳强度和耐冲击性等性能,可以磨出十分锋利的切削刃,适合制造小规格钻头(直径甚至可以 小至0 .5mm) ,立铣刀和丝椎等刀具。TiC/TiN基硬质合金主要通过增加氮的含量以提高硬度和抗弯强度。与WC基硬质合金相比,它具有较好的高温硬度、刀刃强度高、 摩擦系数小,在较高切削速度和较小的切削深度条件下对钢件和铸件进行半精加工和精加工,可以获得很高的表面质量、稳定的尺寸精度,而且刀具的寿命较长。这 种硬质合金刀具在精车钢件时,切削速度可高达40 0m/min(铣削:30 0m/min) ,加工灰铸铁件时车削速度可达4 5 0m/min(铣削:2 5 0m/min)。②超硬刀具材料 立方氮化硼(CBN)的硬度高达32 0 0HV～4 0 0 0HV ,热传导率130 0W/m·k ,具有良好的抗化学腐蚀性,且在高达12 0 0℃的温度下表现出良好的热稳定性,适合于加工淬硬钢、冷硬铸件和喷焊材料。有的刀具厂开发的细晶粒CBN(2 μm) ,CBN含量(5 0～5 5 ) % ,陶瓷粘结,进一步提高了刀刃的强度,使CBN刀具更适合干式加工。CBN应用于磨削,CBN砂轮的圆周速度达(90～2 5 0 )m/s,大大提高了材料的磨除率,显著缩短磨削时间。如在无心磨床上磨削凸轮轴,磨削余量为4 .1mm ,磨削速度90m/min ,磨削的时间仅为12s,而轴径公差可达2 0 μm ,圆度8μm ,表面粗糙度Rz 4 0 μm ,在砂轮寿命期内加工的工件数超过了5 0万根凸轮轴。聚晶金刚石(PCD)具有特别高的硬度(HV30 :5 0 0 0 )和耐磨性,适合加工铜合金、铝及铝合金、钛及其合金等非铁材料,也可用于极耐磨的高性能材料 ,如纤维增强塑料、金属复合材料以及木材复合材料铝合金。例如MAPAI公司的WWS刀具厂推出用高强度铝合金制作刀体的PCD面铣刀,其切削速度可达 65 0 0m/min(铣刀直径80mm)和86 0 0m/min(铣刀直径2 0 0mm)。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寿命。采用锋利的切削刃和大正前角高效切削这些材料,使切削压力和屑瘤达到最小。 ③陶瓷和金属陶瓷 金属陶瓷是一种先进的硬质合金。金属陶瓷比常规硬质合金能承受更高的切削温度,但是缺乏硬质合金的耐冲击性、在中型到重型加工时的韧 性、以及在低速大进给时的强度。金属陶瓷在小的和不变的负荷时, 也像常规硬质合金那样,有差不多的刀刃强度。但是它在高切削速度下的耐高温和耐磨性能更好, 持续时间更长,加工的工件表面更光洁。当用于加工软的和粘性的材料时,它也有较好的抗积屑瘤性能,表面质量很好。金属陶瓷加入的钛的化合物可以获得较好的 高温硬度。金属陶瓷是硬质合金的一种型式,它含有坚硬的钛基化合物(碳化钛、碳氮化钛和氮化钛),粘结剂是镍或镍钼。由于金属型粘结剂的温度局限性,典型 的金属陶瓷牌号,在加工的材料硬度超过HRC4 0时,不具备足够高的热硬性。金属陶瓷比起涂层和非涂层硬质合金,对断裂和进给引起的压力更加敏感。因此,它最好用于高精度工件和表面质量要求较高时的加 工。理想的加工是对连续的表面进行切削。车削碳钢时,进给量的上限通常是0.0 2 5in ./r(约0 .6 35mm/r)。一般用途的铣削,可以在高的主轴速度、中等进给量的条件下进行。如果满足这些条件,在大量生产时金属陶瓷能长时间地保持锋利的切削刃。陶 瓷刀具类似于金属陶瓷,比硬质合金的化学稳定性更高,可以在高速下进行长时间的切削加工。纯氧化铝的耐高温性能强,但是它的强度和韧性很低,工作条件如果 不好,容易破碎。为了降低陶瓷对破碎的敏感性,改善韧性、提高耐冲击性能,可以在陶瓷中加入了氧化锆或碳化钛与氮化钛的混合物。但是陶瓷的韧性始终比硬质 合金低得多。另一个提高氧化铝陶瓷韧性的方法是在材料中加入结晶纹理或碳化硅晶须,碳化硅晶须平均起来直径仅有1nm,2 0 μm长,但是它能相当程度地增加陶瓷的韧性、强度和抗热冲击性能。在组成上,晶须可高达30 %。像氧化铝一样,氮化硅比硬质合金有更高的热硬性。它耐高温与机械冲击的性能也比较好。与氧化铝陶瓷相比它的缺点是在加工钢时化学稳定性不很好。可是, 用氮化硅陶瓷可在14 5 0ft./min(约4 4 0m/min)或更高的速度下加工灰铸铁。陶瓷刀具适合加工灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢、耐热合金。陶瓷和金属陶瓷做成的刀具发展较快,是耐 热性、高温硬度、化学稳定性好的刀具材料。因此,也适合于干式切削加工铸铁和淬火钢。(3)涂层 涂层可以通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低温度冲 击。因此刀具材料可通过涂层处理,实现“固体润滑”来减少磨擦和粘接。刀具吸收的热量较少,就能承受较高的切削温度。涂层工艺由高温高压向低温低压的发 展, 使得涂层刀具能保持其韧性。涂层视其性能可分为硬涂层和软涂层(滑动涂层见表1)。硬涂层具有较高的硬度(>25 0 0HV) ,软涂层有很小的磨擦系数。TiAlN涂层有很好耐热性能、高温性能
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