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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,其中德国企业尤为普遍,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。<1>1干切削的主要特点目前切削加工工艺的绿色化主要集中在不使用切削液。干切削是消除切削液 污染、实现清洁化生产的有效途径。选用干式加工,主要出于经济和环境两方面的考虑:(1)经济方面,随着切削用量的成倍增大,切削液的消耗量也大幅提高, 因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。国外许多统计资料表明,切削液及切削液的供给、保养、回收及切削废液的处理等费用加在一起,占总制造成本的 16%,而刀具消耗的费用仅占制造成本的4%。这个统计分析数据必须引起人们的高度重视,因为在当今日益激烈的市场竞争中,降低产品的生产成本和销售价 格,已成为企业生存与发展的重要因素。<2>(2)环境方面,切削液的使用会使长期暴露在空气中的磨削液、合成切削液,尤其是雾状切削液对操 作者的健康造成危害,同时还会造成工作场地、局部环境 (水、土壤、气等)污染。近年来,美国在制造业广泛采用了干式加工。在欧洲已有一半的企业采用了干切削加工技术,在德国,广泛应用如超细晶粒硬质合金、陶 瓷和金属陶瓷刀具材料,金刚石和CBN等都大有用武之地。PCBN又以其优异的耐高温性能、高硬度和化学稳定性而更具优势。<3>2立方氮化 硼刀具的性能立方氮化硼(CBN)是继人工合成金刚石后出现的利用超高温、高压技术获得的第二种无机超硬材料,它是由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化 剂合成的立方氮化硼单晶体和聚晶体。2.1具有较高的硬度和耐磨性CBN的显微硬度HV8000～90 00,仅次于人造金刚石HV10000,比氮化硅陶瓷HV5000高出好多,在加工淬火钢及灰铸铁时,CBN刀具的耐磨性比硬质合金、陶瓷、金刚石刀具都 高,因此,能保证高的加工精度和高的刀具耐用度。2.2具有很高的热稳定性CBN耐热性可达1400℃～1500℃,比金刚石的耐热性 (700℃～800℃)高得多,并具有抵抗周期性高温作用的能力,PCBN在8 00℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度,因此PCBN刀具可用比硬质合金刀具高3～ 5倍的速度来高速切削高温合金和淬硬钢,并保持高硬度。2.3具有优良的化学稳定性CBN本身结构稳定,化学惰性大,与其它材料的亲和力小,不易发生化学 反应,它与金刚石不一样,与铁系材料直至1200℃～1300℃时也不易起化学作用。与碳在2000℃时才发生反应;在中性、还原性的气体中,对酸碱都是 稳定的,因此在高温高压和高速切削条件下,CBN刀具几乎不发生因粘结和化学扩散而引起的磨损,试验证明,CBN在空气中加热到1000℃时,其晶体氧化 后在表面产生一层氧化硼薄膜,它可防止进一步氧化。不过,CBN在高温下与水起化学反应, 由于水解作用造成大量CBN被磨耗,因此,切不可用水或水溶性合成润滑剂作润滑冷却液,在高温下切削最好是干切削。2.4具有较好的导热性CBN的导热性 仅次于金刚石,导热系数为13 00W/(m℃),是紫铜的3.2倍,是硬质合金的20倍,是陶瓷的37倍,且随着温度的升高PCBN导热系数是增加的,这可导致刀尖处切削温度的降低, 提高刀具的耐用度。而氧化铝的导热系数是减少的,因此PCBN刀具适合精加工。2.5具有较低的摩擦系数CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1～0.3, 随着切削速度的提高,摩擦系数减小,这样可减小切削力和降低切削温度,因此PCBN刀具非常适合高速切削加工。2.6PCBN刀具切削淬硬钢时的金属软化 效应PCBN刀具的重要用途之一是加工硬质材料,由于它的高温硬度和热稳定性,因此可以进行高速切削,切削热使被切削层金属软化、硬度降低而易于切削加 工,刀具仍然保持高硬度。PC BN刀具的这一特性被称为金属软化效应。产生金属软化效应的决定性因素是切削温度。实验证明 ,HRC50是切削机理产生变化的临界点,产生金属软化效应的条件是工件材料的硬度要大于H RC50。另外,HRC50也是区分普通切削与硬态切削的临界点。3立方氮化硼刀具的应用P CBN作为新一代超硬刀具材料,使切削技术发生了革命性变化,它为淬火硬材料提供了一种经济而高效的切削手段。发达国家将其作为提高加工水平和经济效益 (节能、高效、精密、自动化)的重要工具材料加以发展。在军工、宇航等工业中对难加工材料的加工更是不可缺少,也是数控加工技术发展必备的长寿命刀具材 料,PCBN刀具可对各种硬的或耐磨性的材料进行高速车、镗、切槽、螺纹加工,粗、半精、精加工皆宜。实践证明,PCBN刀具的使用不仅可提高产品的加工 质量,而且也可提高经济效益。因此,随着现代制造业(尤其是汽车制造业)的快速发展,超硬刀具的生产及应用也逐年快速增长。PCBN刀具符合当今刀具发展 的主要方向,它能提高刀具寿命、提高切削效率、降低加工成本、保证高精度和低粗糙度,满足难切削材料的加工要求。随着PCB N自身质量的提高,刀具制造技术的不断改进,PCBN刀具的应用将得到更快发展。随着现代科技的发展,各种新型工件材料得到了发展与应用,其中有不少是难 加工材料,且其加工精度与技术条件的要求越来越高。传统的刀具材料,如高速钢、硬质合金、陶瓷等常不能满足上述加工的需要 ,而必须采用超硬材料刀具。利用超硬材料刀具有高硬度、高杨氏模量、高导热性能与低摩擦、低热膨胀的特点,故可切削各种硬材料和难加工材料。PCBN最适 合于各种淬硬钢、冷硬铸铁及其它高硬黑色金属的切削。PCBN刀具的应用范围:(1)按行业来分,汽车工业占50.37% 、重型机械代切削加工中首选的工具<3>。CBN是目前硬度仅次于金刚石的超硬材料,而PC BN又是以CBN作为主要成份在高温超高压条件下经烧结而成的聚晶体。CBN与硬质合金、陶瓷材料相比,在干切削条件下具有更明显的优势:CBN硬度高于 TiC、A12O3、SiC, 是硬质合金的2倍以上;在800℃～1000℃下的高温硬度也远高于硬质合金、陶瓷材料,因此可成倍提高切削速度,延长刀具寿命;同时CBN的热传导率 高,可降低干切削时切削刃的温度 ;CBN的热膨胀率小,抗热冲击性好,可减小PCBN刀具的粘接磨损和扩散磨损;并且CBN 与金刚石不同,既与铁、钴、镍等有良好的化学惰性,在高温空气中又有良好的化学稳定性;另外 PCBN刀具摩擦系数小,排屑流畅,散热迅速。因此PCBN刀具是最具备符合绿色刀具要求的理想切削刀具。硬态切削是近年来兴起的新的切削工艺,指对铁系 零件经淬火或去应力热处理后具有较高硬度材料的切削加工。由于淬硬材料硬度高、塑性小、延伸性差、切削温度高,过去没有高红硬性的切削刀具材料,通常采用 磨削加工方法。近年来随着PCBN刀具的发展及其应用技术的进步,使高硬度材料的切削加工变得容易实现。并且硬态切削由于加工精度高、工件表面完整性好 (切削表面纹理整齐、光亮、Ra≤0.8μm,几乎不破坏工件表面组织、不产生退火软化层、无变质层),从而可以用PCBN刀具实现以车代磨完成对淬硬材 料的精加工。<4>4结束语目前,我国对干切削技术的研究还比较少,应用也只是传统的铸铁铣削加工。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、降低成本具有重要意义。PCBN刀具非常适合于硬态材料的干切削,并能加工金刚石刀具所不能加工的黑色金属材料,特别适合数控设备及自 动化生产线的使用。PCBN刀具有很高的耐磨性,其使用寿命远远高于硬质合金,可加工大部分高硬度材料 ,在许多场合可以以车、镗、铣等代替磨削,能使被加工零件获得高的精度和良好的表面质量,并大大提高生产效率。国外PCBN刀具已广泛用来加工淬硬钢、高 硬度铸铁和抗磨零件,并带来了巨大的经济效益。随着机械零件的硬度和抗磨损性能要求的进一步提高,PCBN刀具的使用必将更加广泛。
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