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一项新的硬车加工工艺即将问世，其开发者称它可以将粗磨时间从原来的4小时降低到15分钟。此外，该工艺还被认为可以将刀具成本降低85% ，同时改善工件公差及表面粗糙度。
该工艺是由哈挺公司与空气产品及化学物质有限公司(Air Products and Chemicals Inc.)共同开发的，原理是在车削操作中在切口处导入液态氮。在该工艺中，液态氮能将切削刀具冷却到非常低的温度，并阻止在工件中形成温升现象，提高切削操作效率，产生巨大的好处。
该工艺被称作“IceFly”，据空气产产品公司IceFly的技术主管Ranajit Ghosh 说，该工艺可以用于替代粗磨操作，在硬度为78Rc的材料粗加工操作中可以将公差保持在0.008英寸，同时提高切深和主轴速度。
Ghosh 在次采访中说，空气产品公司大约于5年前开发出在切削操作中应用液态氮的该工艺。在切削中采用液态氮原来是开发用于加工制作扁钢的重型工艺辊及支撑辊的。 这些辊子是用难加工淬硬工其钢制造的。Ghosh说其公司的冷却工艺当前正在美国5台生产这种辊子的机床上使用。
空气产品公司与哈挺之间的合作使得该工艺应用到了更宽阔的市场及更小的零件上。

除了冷却切削刀具以外，IceFly工艺还可以在特定温度下将工件保持冷却。

小零件，大挑战

给各种各样的零件硬车操作进行低温冷却不是件简单的事情。当在加工过程中导入极低温液体时，液体容易快速达到自己的沸点(氮的沸点为-320华氏度或-196摄氏度)。在液体与温度比液体高得多的刀具及工件之间会形成一个气体层，该气体层将成为热屏障。
对这个问题，空气产品公司找到了解决方案，Ghosh说：“该工艺并不是仅仅往工件上倒液态氮那么简单。在这样做的过程中，会形成气体分界层，该分界层会降低传热效率，几乎会消除(从工件)传热的能力。”
空气产品公司开发了一种两相系统，其中在液态氮中悬置专用固体粒子。结合击打刀具和工件的气体的速度，这些粒子会破坏气体分界层。液态氮通过可以调整其流速的喷嘴喷到刀其和工件上。
Ghosh说，喷嘴附在刀其转塔上，液态氮从储箱中供应。喷嘴将液态氮直接喷到刀具前倾面上。

优势

  • 硬材料的粗切削时间降低到了以前的1/16。
  • 提高了表面硬度，耐磨及疲劳强度。
  • 刀具成本降低85%。

需要权衡的方面：

  • 改造机床需要发生成本。
  • 每个零件的加工成本增加。
  • 投资回报率依据应用场合不同而不同。
  • (当前)仅适合车削操作。

优势

冷液体可以去除切削过程中产生的热，将工件保持恒温。哈挺的高级应用工程师Tom Sheehy说，让工件保持恒温可以保障恒定的切削条件，从而维持精确的公差，即使切深比通常的更深也可以实现这一点。
此 外，液态氮还将刀具保持在极冷状态。Ghosh说低温冷冻改变了陶瓷刀其的特征，使它们变得更硬，更韧。Sheehy说．这样陶瓷刀具可以以 0.003～0.005英寸的切深切割硬度超过78Rc的硬质合金材料。Sheehy补充说，陶瓷刀具的低温制冷还可以对那些淬硬材料进行断续切割。 Sheehy 说：“低温冷却使陶瓷刀具强度更高，韧度更大，所以可以不用100美元的立方氮化硼刀具而用15美元的陶瓷刀具，同时性能还更好。”
第三个加工方面的好处是冷的氮气可以淬冷工件，提高表面硬度。

表面质量的改善

Ghosh 说：“在实践中我们已经在加工好的零件中发现表面和次表面硬度提高，压缩残余应力提高，同时白色层减少。”他解释说，压缩残余应力的增加使零件提高了疲劳 强度。“白色层”指的是，在加工件表面，受热影响的金属中发现的未蚀刻的脆层，人们相信该层是在特定加工条件及采用特定切削刀具时，在某些钢成分中形成 的。
Ghosh说．提高压缩残余应力和减少白色层可以提高加工件的耐磨和耐疲劳属性。
这典好处改变了粗切硬材料，诸 如钴或铬含量比较高的工具钢和工具铁或碳化钨及钨钢等的加工程序。他说，该工艺还可以用于加工多孔材料，诸占如粉未金属产品，以及其他难加工材料，诸如金 属基质复合材料等。Ghosh说：“没有任何其他工艺可以应用到所有这些场合。”此外，他补充道，该工艺很环保．并且很容易通过改装方式加到现有机床上。

极低温增加了陶瓷刀片的强度和韧度。

试验

空气产品公司与哈挺在前者位于宾夕法尼亚州Allentown镇的公司现场，在一台试验性车床上试验了该工艺，哈挺的交钥匙工程经理Jeff Thomason说，在此他们正在以试验方式证明该概念。他提到：“我们将它看作是一种可以替代硬磨的工艺。”
哈挺正寻求在多种行业、各种产品上应用该工艺，但是，由于它可以很好地切割极硬材料及稀有材料，第一大应用领域可能是航空及医疗市场或用非常硬的材料生产刀具。Thomason说：“该工艺并非特定行业才可用。”
Thomason和Sheehy拒绝谈及该工艺的安装和使用成本，但是他们说对于不同的应用场合成本是不同的。此外，Thomason说，该工艺预计的投资回报也会因应用场合不同而不同。”
他 说：“仅仅因为刀具寿命提高及刀片耐磨性能加强，该工艺有可能立即实现巨大报偿。”而Sheehy补充道，哈挺已经发现，该工艺将粗磨零件的时间已经从4 小时缩短到15分钟，粗加工时间几乎缩短了95%。此外，他说，车出来的零件公差与粗磨的毫无二致。最后，他说，在该工件中，IceFIy工艺采用了廉价 的陶瓷刀片而不是CBN刀具。
Sheehy说“采用液态氮成本有所增加，但是这种增加却完全被循环时间的缩短以及刀具成本的降低所抵消。”
Ghosh说空气产品公司针对IceFIy工艺，持有或者已经采用9大专利，并且这些专利既涵盖该工艺，也涵盖了公司为该工艺而开发的设备。Thomason说，对于硬车应用领域，现在已经可以从市场上购买到该工艺。
Ghosh说．他相信可以对其他加工过程诸如铣削开发液态氮工艺，但足为实现这一点，需要进行一定的开发工作。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.1 引言
淬 硬钢是一类较难加工的材料，硬度高达50～65HRC，主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高速钢 等。由于其典型的耐磨结构，淬硬钢被广泛用于制造各种要求高硬度和高耐磨性的基础零部件(淬硬钢的种类及其组织形态如图1所示)。随着超硬刀具材料——陶 瓷和PCBN性能的提高和价格的调整，解决了淬硬零件传统制造工艺与快速发展的市场需求之间的矛盾，使得更经济地切削加工淬硬钢成为可能。
硬 态切削是指采用超硬刀具对硬度大于50HRC的淬硬钢进行精密切削的加工工艺。与磨削相比，硬态切削具有良好的加工柔性、经济性和环保性能，在精磨工序中 采用硬态切削是加工淬硬钢的最佳选择。然而，目前硬态切削加工技术仍然未完全被企业所广泛采用，其主要原因不仅由于企业对硬态切削加工机理及刀具的使用技 术未完全理解和掌握，同时也因为硬态切削工艺中一些不稳定的因素制约了它的推广应用。本文通过综合国内外大量文献，对硬态切削过程中切削力的特征、切屑的 形成机理、硬态切削力与金属软化效应的作用、冷却润滑技术和已加工表面质量等进行了讨论，以期促进硬态切削工艺的推广应用。

2 硬态切削力特征

精密硬态切削区的形状及切削力的特征如图2所示。影响硬态切削力的因素主要包括切削速度、进给量、切削深度、后刀面磨损量和工件硬度等。国内外学者的研究表明，在不同精度等级的机床上实施硬态切削时，切削力并不发生变化。
巴 西Abrao Mendes 博士分别选用陶瓷刀具、低CBN含量和高CBN含量的PCBN刀具切削AISI52100 轴承钢(硬度62HRC)时发现：径向切削力最大，其次是主切削力和轴向切削力；粗加工时切削力约为精加工时的6～9 倍；切削力与进给量、切削深度和后刀面磨损量成近似线性关系；当切削速度增大时，切削力稍有下降。德国阿亨工业大学W.König 教授通过用陶瓷刀具和PCBN刀具切削100Cr6 淬硬轴承钢的切削力对比实验，研究了切削速度、切削深度和进给量对切削力的影响趋势。研究表明：主切削力和轴向力的变化与切深呈线性增长趋势，而径向力增 长缓慢；不同的进给量对切削力的变化影响趋势一致，轴向力的增长速率稍低于主切削力和径向力，而当进给量很小时，会出现径向力大于主切削力的现象。日本中 山一雄教授认为，提高切削速度使切削力有所下降的主要原因是切削温度升高使工件塑性增强(即金属的硬度因切削温度的作用而降低，如图3所示)。不过这种性 质的变化仅限于一定的切削速度范围，当切削速度超过200m/min时，切削力并不沿下降通道变化。这与W.König教授的研究结果一致。中山一雄教授 认为，尽管淬硬材料的硬度较高，但切削力较小，其原因一是由于断裂的产生使塑性变形十分小，二是因为刀—屑接触面积小，使摩擦力减小。哈尔滨理工大学刘献 礼教授采用正交试验对切削力的各影响因素进行设计，得出了切削速度、切削深度、进给量和工件硬度对应切削力的三维曲面，在试验条件下得出了主切削力变化规 律基本符合传统金属切削理论的结论。

图3 硬态切削的金属软化效应
英 国伯明翰大学E.G.Ng博士对PCBN刀具切削AISI HI3 淬硬钢时的切削温度和切削力进行了有限仿真求解，其最大误差达25%，精度分散性大，同时有限元计算量也很大。张弘弢教授运用挤压和轧制理论，根据能量原 理对倒棱刀具的切削机理进行了深入阐述，提出了倒棱刀具的三区模型(第一变形区、金属死区、第二变形区)，并能对剪切角和切削力进行预报和仿真；根据金相 分析和快速落刀装置，发现金属死区的存在并不依赖于切削速度、前角和倒棱角度；在同样的切削条件下，倒棱刀具的剪切角小于单尖刀具剪切角约2°～3°。台 湾学者K.Fuh利用最小能量原理修正了臼井英治的切削模型，依据切削面积和考虑后刀面作用力，对切削力进行仿真，其综合精度较高。由于引入的经验系数较 多，对于不同的刀具和工件材料这些系数往往是变化的，因此其实用性受到一定限制。

3 硬态切削的切屑形态

金属切削过 程研究的重点和核心是切屑的形成过程。硬态切削过程一般产生锯齿形切屑。K.F.Koch博士和P. Fallboehmer博士认为，硬态切削的切屑形态受切屑厚度的影响最大，当切屑厚度小于20µm 时易产生带状切屑，否则生成锯齿形切屑(见图4)。形成锯齿形切屑的原因主要是刀具前刀面附近的工件材料受到挤压而堆积在前刀面上，刀具继续向前切削致使 切屑材料发生突然断裂。

图4 切屑厚度对锯齿形切屑的影响
关 于锯齿形切屑形成机理有很多著名的论断。1964 年Recht 提出了切削加工时突变剪切失稳的经典模型，当名义应力—真实应变曲线斜率为零时，即温度变化的局部速率对强度的负面影响等于或大于强度所产生的应变硬化的 正面影响时，材料内部的塑性变形区便产生突变剪断。美国俄克拉荷马州立大学的Hou Zhen-Bin和Ranga Komanduri提出了锯齿形切屑形成过程中的热力学模型，他们的实验表明，切削速度和进给量在剪切发生失稳中起着重要作用。Samiatin和Rab 发现当正常的流动软化率对应变速率敏感值之比等于或大于5时，金属切削过程的非均匀流动立刻发生。热塑过程的不稳定性(应变硬化与热软化)导致剪断区产 生，即使没有热软化效应，其它机理也可使剪切带抗剪强度明显减小。例如当剪切带产生微裂纹时，使承受应力的实际面积减小，Walker和Shaw认为这是 机加工中切屑断裂的一种可能机理。最近Shaw和Vyas对较低切速下加工AISI 4340钢和低速加工钛合金产生节状切屑的研究更清楚地证实了上述概念。由于此时的切削速度很低，剪切面产生的热可向任意侧面扩散，热软化相当困难，因此 可解释为由于微裂纹的存在使实际剪断强度降低。剪断失稳的其它机理包括材料组织转变，如在某些钢中马氏体向奥氏体的逆转变。中山一雄对淬硬钢硬态车削时锯 齿形切屑形成机理的观点是：切屑形成起源于自由表面上剪应变值最大处，邻近自由表面的变形假设为纯剪切作用的结果，剪切断裂与自由表面夹角为45°。 Sih用解析法获得“应变能密度”因子S，并在平面应变条件下模拟了锯齿形切屑的生成机理，提出硬态切削淬硬钢时锯齿形切屑形成的新模型，给出了负载角f与断裂角q0之间的关系式。
大 连理工大学王敏杰、胡荣生教授的研究表明，锯齿形切屑主要是因为高速切削产生的热塑剪切失稳所致。热塑剪切失稳是广泛存在于许多动态塑性变形过程中的一种 材料破坏现象，其先决条件是变形材料的局部温升引起的热软化效应足以抵消材料的变形强化效应。金属切削过程中的热塑剪切失稳是指发生在第一变形区的强烈局 部剪切集中，其结果导致不对称的锯齿形切屑，它与普通金属材料在低速下形成的挤裂切屑不同，特征是切屑的各锯齿之间以变形很大的热塑剪切带相隔。采用金属 陶瓷刀片SNMG120412N-UG(牌号ZK01)切削GCr15轴承钢的试验结果表明：当切削深度为0.5～4mm、进给量 0.07～0.43mm/r、切削速度≥130～160m/min 时，开始产生热塑剪切失稳。

图5 切削过程对已加工表面的破坏过程

4 硬态切削的已加工表面完整性

切 削加工过程中切削热的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工表面造成一定程度的破坏(如图5 所示)。用硬态切削取代磨削加工的关键是如何获得理想的加工表面粗糙度、形状精度和加工表面状态，而提高硬态切削的加工精度和硬态切削工件的性能是一个需 要长期深入研究的课题。硬态切削已加工表面的完整性主要包括以下内容：表层组织形态及其硬度、表面粗糙度、尺寸精度、残余应力的分布和白层的产生。
美 国普渡大学C.R.Liu教授早在1976年便发表了切屑形成过程对已加工表面亚表层力学状态的论文，主要分析了尖刃刀具和磨损刀具对残余应力的影响。最 近C.R.Liu还通过实验论证了超精密硬态切削淬硬轴承钢的可行性和切削条件，并在超精密硬态切削加工表面的残余应力模型、模拟和优化研究方面做了大量 工作。德国P. Leskovar的研究工作表明：已加工表面微观硬度受进给量和后刀面磨损量的影响较大，进给量越小，磨损量越大，表面硬度越高。刘献礼教授的正交硬态切 削试验结果表明：切削速度、进给量和切削深度对表面硬度的影响都具有单一变化规律，即已加工表面硬度随切削速度的提高而增加，随进给量和切深的增大而降 低，而且已加工表面硬度越高，硬化层深度越大。通过对试件的基体组织和表层组织的扫描电镜照片进行对比分析，认为硬态切削过程中已加工表面硬度虽有所提 高，产生一定的硬化深度，但对表面表层的金相组织并无破坏。

图6 硬态切削已加工表面的白层
伯 明翰大学D. K. Aspinwsll教授在高刚性数控车床上采用陶瓷和PCBN刀具切削淬硬AISI E52100轴承钢时发现：工件表层和亚表层的组织状态发生变化，其微观组织由白色的未回火层和黑色的过回火层组成。实验结果显示硬态切削后工件表面均为 残余压应力，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很大影响，多数 情况下必须控制残余应力的大小及其分布规律。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、工件材料以及刀具磨 损等关系密切。国外不少学者试图通过仿真切削热的生成与移动来计算残余应力，但切削热形成的复杂性和残余应力测量误差等原因导致仿真误差较大。最近，加拿 大Kurt Jacobus运用平面应变粘弹塑性理论、美国普渡大学S.Mittal运用多项式拟合原理预测切削参数对残余应力分布的影响，其不足之处是都需要进行大 量的标定实验来估计系数。J.D.Thiele等研究了精密硬态切削过程中切削刃几何形状和工件硬度对工件表面残余应力的影响，实验中分别选用尖刃、倒 棱、钝圆三种刃部的PCBN刀具。测试结果显示：刀具钝圆半径越大，残余压应力值越大；工件硬度越高，残余压应力值越大。Y.Matsumoto和 D.W.Wu也认为工件硬度对工件表面完整性的影响极大，工件硬度值越大，越有利于残余压应力的形成。Y.Matsumoto还认为，刀具几何形状也影响 残余应力的形成，双倒棱和大钝圆刀具所形成的残余压应力远远优于单一倒棱和尖刃刀具，但切削参数(切深和进给量)对残余应力没有显著影响。
影 响硬态切削已加工表面质量的另一个重要因素是白层的形成。白层是伴随着硬态切削过程所形成的一种组织形态(如图6所示)，它具有独特的磨损特性：一方面硬 度高，耐蚀性好；另一方面又表现出较高脆性，易引起早期剥落失效。白层尺寸较薄，难于准确分析其组织特征，它的形成机理至今仍有争议。一种观点认为白层是 相变的结果，是由材料在切削过程中被快速加热和骤然冷却而形成的晶粒细小的细晶马氏体组成。另一种观点认为白层的形成仅属于变形机制，只是由塑性变形而得 到的非常规型马氏体。目前将白层视为马氏体组织的观点得到一致认可，主要争议在于白层的精细结构。Y.K.Chou和C.J.Evans认为硬态切削过程 中白层的形成与切削热有关，后刀面磨损量的增加将导致白层深度加大，在VB 达到0.31mm 时白层深度高达10µm。B. J. Griffiths认为切削过程中产生白层现象的原因是高速滑动磨损，白层的组织形态是超细晶粒结构的奥氏体和马氏体的混合组织，并与刀具磨损密切相关 (见图7)。因此，需要进一步深入研究白层的形成机理及其对零件寿命的影响。

图7 白层组织形态与后刀面磨损的关系

5 硬态切削技术的发展趋势

目 前硬态切削加工技术已引起世界范围内制造业界和科研机构的高度重视和极大兴趣，但推广应用硬态切削加工技术仍存在一定障碍，主要问题有：如何使已加工表面 保持稳定的表面粗糙度和尺寸精度；已加工表面质量能否满足零件的工况需要并具有一定的寿命；如何进行硬态切削加工刀具的选择、使用、成本控制等。因此，未 来硬态切削加工机理及其技术的研究重点是：控制切削过程中切削力的大小并保持其稳定性；消除和减小切削热对工件尺寸精度的作用；硬态切削过程中冷却润滑技 术的合理化；已加工表面硬度的梯度、残余应力的分布、表层组织形态和白层形成机理的研究。
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硬 态车削也称“以车代磨”，是指把淬硬钢的车削作为最终精加工工序的工艺方法。一般情况下，淬硬钢工件的粗加工是在淬 火前进行的，淬火后进行磨削精加工。但磨削加工成本高、效率低。随着高硬刀具材料和相关技术的发展，可以采用PCBN刀具、陶瓷刀具或新型硬质合金刀具在 车床或车削加工中心对淬硬钢进行车削，其加工质量也可以达到精磨的水平。

1 硬态车削的特点

与磨削相比，硬态车削有如下特点：
  1. 加工效率高、经济效益好 去除相同体积的金属时，硬态车削往往可以采用较大的切削深度和较高的转速，而磨削则只能采用小切深，否则容易产生磨削烧伤，径向分力大引起变形，硬态车削 的金属去除率可为磨削的3～4倍，能耗仅为磨削的1/5；车削一次装夹可完成多表面的加工(如外圆、内孔、端面、台阶、沟槽等)，磨削则不能；在加工效率 相同的情况下，车床投资仅为磨床的1/3～1/2，占地面积小、辅助系统费用低。
  2. 是一种洁净的加工工艺 硬态车削所用的刀具，基本可不使用切削液，这样就节省了相关的切削液传输装置和处理装置，大大节省了投资费用；切削液中一般都含有毒有害物质，会对环境造成污染，也损害了操作者的健康。不使用切削液的硬态车削是一种洁净的加工工艺。
  3. 可获得良好的整体加工质量 工件安装次数的减少，可使工件得到较高的位置精度和圆度，车削不会引起表面烧伤和微裂纹。目前硬态车削的加工精度可达IT5级，表面粗糙度Ra可达0.8～0.2µm。

2 硬态车削的关键技术

实施硬态车削工艺时，切削力大(特别是径向力比主切削力还大)、切削温度高、刀具使用寿命短，这就要求作为硬态车削的刀具耐热性和耐磨性应更好，机床工艺系统也要有足够的刚度。
  1. 刀具材料与几何参数 能够作为硬态车削的刀具材料有立方氮化硼(CBN)，陶瓷和新型硬质合金。CBN具有很高的硬度和耐磨性，适合加工硬度大于HRC55的淬硬钢工件。陶瓷 刀具材料的成本低于CBN，且具有良好的化学热稳定性，但硬度和耐磨性不如CBN，对于硬度小于HRC50的淬硬钢工件选用陶瓷刀具更为合适。我国陶瓷刀 具技术已较完善，刀片性能也较可靠，国产Al2O3,陶瓷刀片已有近20个品种。新型硬质合金及涂层硬质合 金刀具材料的抗弯强度和冲击韧性比CBN和陶瓷材料要高，价格又低，可用于加工硬度为HRC40～50的淬硬钢工件。刀片形状及刀具几何参数的选择合理与 否，对充分发挥刀具的切削性能至关重要。对于各种材料的刀片来说，均应选择强度高、散热条件好的刀片形状和尽可能大的刀尖圆弧半径。刀具几何参数的主要特 点是选择较大的负前角或预磨出负倒棱。
  2. 切削用量与切削条件 切削用量选择得合理与否，对硬态车削效果影响很大。由于CBN和陶瓷刀具材料的耐热性和耐磨性好，可选用较高的切削速度和较大的切削深度以及较小的进给 量。而切削用量对硬质合金刀具磨损的影响比CBN刀具要大些，故用硬质合金刀具就不宜选用较高的切削速度和切削深度。一般情况下硬态车削不用切削液.但有 时对工件的加工精度和表面质量和刀具寿命有特殊要求时，也可使用水基切削液并采用连续均匀的冷却方式，避免刀片产生微裂纹。
  3. 硬态车削机床 硬态车削与非淬硬钢车削相比，切削力增加30%～100%，切削所需功率增加1.5～2倍，所以对硬态车削对机床提出了更高要求，如高刚度、大功率等。机 床本身的主轴系统除了要保证高刚度以外，还应具有高转速，以保证充分发挥CBN或陶瓷刀具的性能优势。但主轴的高转速，往往容易引起振动，为防止和消除振 动包括夹具在内的整个主轴系统必须经过良好平衡，主轴的径向跳动和端面跳动都不得大于3µm。机床导轨的精度要高、直线性要好、间隙要小，特别不能有爬行 现象。此外，机床要有良好的热稳定性，机床热变形量要在一定范围内，这样才能保证连续生产的加工精度要求。

3 硬态车削的应用与展望

实 践证明，硬态车削比磨削可降低成本40%～60%。在德国、美国的汽车工业中，加工曲轴、凸轮轴等零件均采用硬态车削工艺，收到良好效果。我国也有少数工 厂在CNC车床上对淬硬薄壁套、轴承环、齿轮内孔与端面以及量刃具等零件，用硬态车削也达到了磨削效果，并提高了加工效率。目前硬态车削工艺的应用还不够 广泛，主要原因有：该项技术要求机床、刀具、夹具及工艺应有最佳组合；工件硬度和余量应均匀，对硬态车削机理研究不够；硬态车削加工成功实例的实际指导作 用不强；对硬态车削效果的宣传推广不够等。尽管如此，硬态车削以其鲜明的特点和优势必将成为切削加工领域中重要的发展方向之一。
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车 削加工是机械制造业中最基本、最广泛、最重要的一种工艺方法，它直接影响生产效率、成本、能源消耗和环境污染。由于 现代科学技术的发展，各种高强度、高硬度的工程材料越来越多地被采用，传统的车削技术难以胜任或根本无法实现对某些高强度、高硬度材料的加工，而现代的硬 车削技术使之成为可能，并在生产中取得明显效益。

1 硬车削及其特点

  1. 硬车削的定义
    通常所说的硬车削是指把淬硬钢的车削作为最终加工或精加工的工艺方法，这样可以避免目前普遍采用的磨削技术。淬硬钢通常是指淬火后具有马氏体组织，硬度高，强度也高，几乎没有塑性的工件材料，硬度HRC>55时，其强度sb=2100～2600MPa。 通常，工件在热处理淬硬之前就已完成粗加工，只有精加工在淬硬状态下进行。精磨是精加工最常用的加工工艺，但其加工范围窄、投资大、生产效率低，易造成环 境污染，一直困扰着淬硬钢的经济有效加工。随着加工技术的发展，硬车削代替磨削成为可能，并在生产中取得明显效益。目前采用多晶立方氮化硼(PCBN)刀 具、陶瓷刀具或涂层硬质合金刀具等在车床或车削加工中心上对淬硬钢(硬度HRC55～65)进行切削加工，其加工精度可达5～10µm，表面粗糙度均方根 值平均小于20µm。
  2. 硬车削的特点
    1. 加工效率高
      硬 车削具有比磨削更高的加工效率，其所消耗的能量是普通磨削加工的1/5。硬车削往往采用大切削深度、高的工件转速，其金属切除率通常是磨削加工的3～4 倍。车削加工时一次装夹可完成多种表面加工(如车外圆、车内孔、车槽等)，而磨削则需要多次安装，因此，其辅助时间短，表面间位置精度高。
    2. 硬车削是洁净加工工艺
      在 大多数情况下，硬车削无须冷却液，事实上，使用冷却液会给刀具寿命和表面质量带来不利影响。因为，硬车削是通过使剪切部分的材料退火变软而形成切削的，若 冷却率过高，就会减小由切削力而产生的这种效果，从而加大机械磨损，缩短刀具寿命。同时硬车削可省去与冷却液有关的装置，降低生产成本，简化生产系统，形 成的切屑干净清洁，回收处理容易。
    3. 设备投资少，适合柔性生产要求
      在生产率相同时，车床投资是磨床的1/3～1/20其辅助系统费用也低。对于小批量生产而言，硬车削不需特殊设备，而大批量加工高精度零件则需要刚性好、定位精度和重复定位精度高的数控机床。
      车床本身就是一种加工范围广的柔性加工方法，工件装夹快速，采用配有多种刀具转盘或刀库的现代CNC车床很容易实现2种不同工件之间的加工转换，硬车削尤其适合此类加工。因此，与磨削相比，硬车削能更好地适应柔性化生产要求。
    4. 硬车削可使零件获得良好的整体加工精度
      硬车削中生产的大部分热量被切屑带走，不会产生像磨削加工的表面烧伤和裂纹，具有优良的加工表面质量，有精确的加工圆度，能保证加工表面之间高的位置精度。

2 硬车削加工的条件

  1. 硬车削的刀具材料及其选用
    1. 涂层硬质合金
      涂层硬质合金刀具是在韧性较好的硬质合金刀具上涂覆一层或多层耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al2O3等， 涂层的厚度为2～18µm，涂层通常起到以下2方面的作用：①具有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，减弱了刀具基体的热作用；②能够有效地改善切 削过程的摩擦和勃附作用，降低切削热的生成。涂层硬质合金刀具与硬质合金刀具相比，无论在强度、硬度和耐磨性方面均有了很大的提高。对于硬度在 HRC45～55工件的车削，低成本的涂层硬质合金刀具可实现高速车削。近年来，一些厂家靠改进涂层材料与比例的方法，也使得涂层刀具的性质有极大的提 高。如美国、日本一些厂家采用瑞士AlTiN涂层材料和新涂层专利技术生产的刀片，HV硬度高达4500～4900，在车削温度高达1500～1600℃ 时仍然硬度不降低、不氧化，刀片寿命为一般涂层刀片的4倍，而成本只为50%，且附着力好。它可以在498.56m/min的速度加工硬度 HRC47～52的模具钢。
    2. 陶瓷材料
      陶瓷刀具具有高硬度(硬度HRA91～95)、高强度(抗弯强度为 750～1000MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、良好的抗赫结性能、摩擦系数低且价格低廉等特点。使用正常时，耐用度极高，车速可比硬质合金提高 2～5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，可加工硬度HRC62的各类淬硬钢和硬化铸铁。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和 晶须增韧陶瓷。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶瓷 NX2525及瑞典山特维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1µm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于普 通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。清华大学研制成功的氮化硅陶瓷材料刀具也达到了国际先进水平。
    3. CBN
      CBN 的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷刀具相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢 (HRC50以上)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度甚至可提高一个数量级。
      CBN含 量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复合 PCBN刀具中CBN颗粒含量较低，采用陶瓷作豁结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的缺点，适用淬硬钢的切削加工。
      在 切削灰铸铁和淬硬钢的应用领域，陶瓷刀具和CBN刀具是可供同时选择的，因此进行成本效益和加工质量分析是非常必要的，以确定哪一种材料更经济。通过分析 在切削硬度低于HRC60以下和小进给量情况下的工件，陶瓷刀具是较好的选择。PCBN刀具适合于工件硬度高于HRC60情况，尤其是对于自动化加工和高 精度加工时更为重要。除此之外，在相同后刀面磨损情况下，PCBN刀具切削后的工件表面残余应力也比陶瓷刀具相对稳定。
      使用PCBN刀 具干式切削淬硬钢还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低PCBN刀具的磨 损，此外在小切深时还应考虑采用PCBN刀具，导热性差而使切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨损。
  2. 刀片结构及几何参数确定
    刀 片形状及几何参数的合理确定对充分发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度，各种刀片形状的刀尖强度从高往低依次为：圆形、100°菱形、正方形、 80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。硬车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半 径刀片粗加工，精加工时的刀尖半径为0.8～1.2µm。
    淬硬钢切屑为红而酥软的锻带状，脆性大、易折断、不勃结，一般在切削表面不产生积屑瘤，加工的表面质量高，但淬硬钢切削力比较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以刀具宜采用负前角(g0≥-5°)和较大的后角(a0=10～15°)，主偏角取决于机床刚性，一般取45～60°，以减少工件和刀具颤振。
  3. 切削参数的选择
    工 件材料硬度越高，其切削速度应越小。硬车削精加工的适宜切削速度为80～200m/min，常用范围为10～150m/min，采用大切深或强烈断续切削 高硬度材料，切速应保持在80～100m/min。一般情况下，切深为0.1～0.3mm。加工表面粗糙度，要求高时可选小的切削深度，但不能太小，要适 宜。进给量通常可以选择0.05～0.25mm/r，具体数值视表面粗糙度数值和生产率要求而定。当表面粗糙度为Ra0.3～0.6µm，硬车削比磨削经济得多。
  4. 对工艺系统的要求
    除 选择合理的刀具外，硬车削对车床或车削中心并无特殊要求，若车床或车削中心刚度足够，且加工软的工件时能得到所要求的精度和表面粗糙度，即可用于淬硬钢的 加工。为了保证车削操作的平稳和连续，常用的方法是采用刚性夹紧装置和中等前角刀具。人们普遍认为，硬车削需要高刚性的车床，即硬车削的关键是机床具有足 够的刚性，同时刀具、工件、夹紧装置结构紧凑且具有同等的刚性。若工件在切削力作用下其定位、支承和旋转可以保持相当平稳，现有的设备就可以用于硬车削。

3 硬车削技术的应用

硬车削技术经过10年的发展及推广应用，获得了巨大的经济效益和社会效益。下面以轧辊加工等行业举例说明硬车削技术在生产中的推广应用情况。
  1. 轧辊加工行业
    国 内十几家大型轧辊企业已使用硬车削技术对冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊进行荒车、粗车和精车等切削加工，均取得了良好的效益。平均提高加工效率2～6倍，取 得了节约加工工时和电力50%～80%的显著效益。如在武汉钢铁公司轧辊厂，对硬度HS60～80的冷硬铸铁轧辊粗车、半精车时，切削速度提高了3倍，每 车一根轧辊，节约电力、工时费400多元，节约刀具费近100元，取得了巨大的经济效益。如潍坊学院机电实验中心，用FD22金属陶瓷刀具车削 HRC58～63的86CrMoV7淬硬钢轧辊时(v=60m/min,f=0.2mm/r，切削深度ap=0.8mm)，单刃连续切削轧辊路径达15000m(VCmax=0.2mm)，满足了以精车代磨削的要求。
  2. 工业泵加工行业
    目 前国内碴浆泵生产厂的70%～80%已采用硬车削技术。碴浆泵广泛应用于矿山、电力等行业，是国内外急需的产品，其护套、护板是硬度HRC6367的 Cr15Mo3高硬铸铁件。过去由于各种刀具难以车削它，所以只得采用退火软化后粗加工，然后再淬火加工的工艺。采用硬加工技术以后，顺利解决了一次硬化 加工问题，免除了退火再淬火2道工序，节约了大量工时和电力。
  3. 汽车加工行业
    在汽车、拖 拉机等大批量生产行业中的曲轴、凸轮轴及传动轴、刀量具行业及设备维修中经常会碰到淬硬件的加工难题。如我国某机车车辆厂，在设备维修中需要对轴承内圈进 行加工，轴承内圈(材料GCr15)的硬度HRC60，内圈直径为285mm，采用磨削工艺，磨削余量不均匀，需2h才能磨好；而采用硬车削加工，仅用 45min就加工好一个内环。

4 结语

经过多年的研究和探索，我国硬车削技术取得了 很大的进展，但是，硬车削技术在生产中的应用还不广泛。主要原因有：(1)生产企业、操作者对硬车削的效果了解不够，普遍认为硬材料只能磨削；(2)认为 刀具成本太高。硬车削最初的刀具成本是比普通硬质合金昂贵(如CBN比普通硬质合金贵十多倍)，但其分摊在每个零件上的成本比磨削低，且带来的效果比普通 硬质合金要好得多；(3)对硬车削加工机理研究不够；(4)硬车削加工的规范不足以指导生产实践。因此，除了对硬车削机理进行深人研究外，必须加强硬车削 加工知识的培训、成功经验演示及严格操作规范，使这种高效、洁净的加工方法更多地应用于生产实际。目前，如果将硬车削与精磨结合起来，则加工一个一般零件 所花的成本将比磨床上完成粗加工和精加工所花成本降低40%～60%
. 歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！

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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.一 前言
某些机器零件采用了难加工材料制造．其中包括一些高硬度的脆性材料。在这个加工领域中，超硬刀具能够发挥很大的作用。
除 天然金刚石外，人造金刚百在近年来巳得到了更为广泛的应用。人造金刚石是以石墨为原料，加入催化剂，经过高温、高压制成单晶金刚石细粉．可用作磨料。再用 金刚石细粉加入粘结剂，经过又一次高温、高压工艺，从而可以制成聚晶金刚石刀片或其它制品。用类似的工艺．亦可制成以硬质合金作为基底的金刚石复合刀片 (PCD)。另一种最新的方法，是用化学气相沉积(CVD)工艺，在硬质合金或陶瓷刀片上涂覆一层金刚石薄膜(厚度约为1Oµm～25µm)，形成金刚石 涂层刃片(简称CD)。或先沉积出厚度在0.4mm以上的金刚石厚膜，再焊在硬质合金基体上，形成金刚石厚膜刀片(简称TFD)。CD和TFD是发展中的 技术，但很有应用前景。
以六方氯化硼(HBN)为原料，用上述相同的高温、高压工艺．可制成聚晶立方氮化硼(CBN)刀片或CBN复合刀片。

二、金刚石刀具与立方氮化硼刀具的性能

金刚石与CBN的晶体结构均为面心立方，耐磨性极强。人造金刚石的硬度可达HV8000～9000，CBN硬度可达HV6000～7000。两者的密度均约为0.5g/cm3，与Al203及Si3N4的密度相近。
它们的导热性能很好。金刚石的导热素数为2000W/(m·K)，CBN为1300W/(m·K)，分别是紫铜的5倍和3.2倍．分别是硬质合金的40倍和25倍。
它们的线膨胀系数较小，金刚石为(O.9～1.18)×1O-6/K，CBN为(2.1～2.3)×1O-6/K，分别是硬质合盒的1/6和1/3。
它们的弹性模量很高，金刚石为(850～900)GPa，CBN为720GPa，显著高于硬厨合盒和陶瓷。
在切削过程中，金刚石和CBN刀具与工件材料之间的摩擦系数小，约为0.1和0.3，其为硬质合金刀具的1/5和1/2。
对金刚石和CBN刀具可以磨出非常锋利的切削刃，尤其是天然金刚石刀具经过仔细刃磨和研磨可以得到小于微米级的钝圆半径。
CBN 与铁族元素之间有着很大的惰性，到1300℃也不会发生显著的化学作用；对酸碱都是稳定的。金刚石对铁族元素则易产生化学反应，在700℃以上，金刚石在 Fe元素催化作用下转变为石墨而丧失硬度；金刚石中的C元素，也易向铁族工件材料方面扩散。金刚石也不受酸的浸蚀。

图1 超硬刀具车削淬硬钢

图2 硬质合盒、陶瓷刀具车削淬硬钢

图3 超硬刀具车削硬质合金

三、淬火钢的切削

用立方氮化硼复合刀片CBN-L、cBN-W及金刚石复合刀片PCD-D车削谇硬工具钢T10A(HRC60～63)，-L、-W、-D分别代表生产厂家。刀具几何参数：g0=0°，g0l=-20°， bg=0.2mm，kr=45°。．re=0.5mm(CBN)，4mm(PCD)。切削用量：ap=O.1mm，f=0.05mm/r，V=84m/min。刀具磨损曲线见图1。
再用硬质合金YM053刀片和Si3N4基复合陶瓷刀片切削T10A。g0=-8°，g0l=-20°， bg=0.2mm，kr=45°。．re=0.5mm，ap=O.1mm，f=0.05mm/r，V=44m/min。刀具磨损曲线见图2。
由图1、图2可见，用CBN复合刀片加工淬硬钢效果很好，用金刚石复合刀片PCD切削淬硬钢效果甚差。硬质合金和陶瓷刀片在较低的切削速度(V=44m/min)下切削T10A，刀具耐用度显著低于CBN刀具。

四、硬质合金的切削

用金刚石复合刀片PCD及CBN复合刀片车削矿用硬质合金YG2O(HRA85)，刀具几何参数同图1。ap=0.1mm， f=0.05mm/r，V=16.4m/min。刀具磨损曲线见图3。可见，用PCD和CBN刀片切削YG20，均取得了较好的效果，以CBN尤佳。由于 YG20中含有20%的Co元素，属于铁族，可能与金刚石刀具产生了化学反应，前导致PCD刀具产生了稍大的磨损率。

五、工业玻璃的切削

用PCD及CBN刀片车削工业玻璃(SiO2+Na2O+CaO，HV40O～500)。刀具几何参数同图1。ap=0.1mm，f=0.05mm/r，V=38m/min。试验结果见图4，切削效果均佳．而PCD领先。

六、工程陶瓷的切削

用PCD、TFD及CBN三种刀片车削Al2O3基复合陶瓷(HRA88～89)，刀具几何参数同图1。ap=0.1mm，f=0.05mm/r，V=38m/min。试验结果见图5。由图5可见，金尉石刀具的切削效果优于CBN刀具。

图4 超硬刀具车削工业玻璃
图5 超硬刀具车削工程陶瓷

七、结论

  1. 切削高硬度的臆性材料，刀具材料必须具有很高的硬度和弹性模量，超硬材料对此非常胜任，这是机械性能的匹配。
  2. 刀具材料对于工件材料，在化学厦应上应呈现惰性，否则，刀具的磨损率高。故金刚石刀具不适合切削铁基材料，如淬硬钢。这是化学性能的匹配。CBN是精切淬硬钢的最佳刀县材料。
  3. 用金刚石刀具切削工业玻璃和工程陶瓷，效果也很好。
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beeway 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()

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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.1 引言
随 着科技与生产的发展，硬脆材料(如工程陶瓷、光学玻璃等)的应用日趋广泛。由于硬脆材料的脆性较大，加工时在磨粒作 用下易发生断裂，因此其加工机理比金属材料加工更为复杂。目前对硬脆材料加工机理的理论研究尚不够深入与成熟，积极开展这方面的研究对于指导生产实践具有 重要意义。本文通过对典型硬脆材料———玻璃的切削试验，对硬脆材料的磨削加工机理进行了理论分析，其结论对加工硬脆材料时切削用量的选择具有一定指导意 义。

图1 硬脆材料(玻璃)的磨削模型

图2 磨粒压入平面时的压力分布情况
图3 应力区分布图

2 硬脆材料磨削模型的建立

在精密磨床上用单颗粒金刚石飞铣装置对玻璃进行切削试验。利用高速摄影机观察金刚石颗粒切削脆硬材料的动态过程；利用扫描电镜观察被加工材料的沟槽横截面和沟槽形貌。通过对切削试验过程以及被加工玻璃表面的观测分析，建立如图1所示的硬脆材料(玻璃)磨削模型。

3 试验结果与讨论

  1. 硬脆材料在磨粒挤压作用下的塑性行为
    在切削试验中可观察到，当切深较小时(即磨削初始阶段)，硬脆材料的变形表现为塑性变形。从应力场的角度分析，硬脆材料只有在围压足够大时，才能象金属材料一样表现出良好的塑性，围压越大，塑性越好。
    由于任何磨粒的端部均有一定的圆弧半径，因而可将磨粒端部近似看作一个半径为R的球体。当磨粒在垂直力P作用下压向玻璃表面时，其与玻璃的接触面边缘为一个圆。该圆半径为
    a=[3(1-µ2)PR]½


    2E
    		(1)
    接触面上的压力分布可用q表示为(见图2)
    q=3P(a2-r2)½


    2pa3
    		(2)
    由图2可见，在压力面边缘的压力分布为0，而在压力面中心(r=0 处)压力分布最大，用q0表示此中心处压力，由式(2)可得
    q0=3P


    2pa3
    		(3)
    在分布力q的作用下，玻璃内的应力可分为Ⅰ区和Ⅱ区，如图3所示。在Ⅰ区内，玻璃受到各个方向的压应力作用；在Ⅱ区内，玻璃受到压应力和拉应力的综合作用。
    在对称轴(Z轴，位于Ⅰ区)上，正应力的海尔茨公式为
    {
    sr|r=0=sq|r=0=-(Hu)q0(1-zarctana)+q0a2




    az2z2+a2
    sz|r=0=-q0a2

    r2+a2
    		(4)
    式中应力均为主应力，负号表示压应力。随着与压力面(Z 轴)距离的增大，sr、sq、sz均减小，而sr=sq比sz减小得更快。当z=0时，则有
    {
    sr|r=0=sq|r=0=-1+2uq0

    2
    sr|r=0=-q0
    若选取内摩擦系数u=0.3，则压力面中心的压应力为
    {sr|r=0=sq|r=0=-0.8q0
    sr|r=0=-q0
    由此可见，在压力面中心点的材料受到围压P=0.8q0、偏压∆q=0.2q0的作用，接近于各自均匀的压缩状态，在围压数倍于偏压的情况下，材料几乎不发生破坏。离开中心点后，材料受到的围压和偏压均减小，但围压比偏压减小更快，例如，在z=a/2和z=a处(r=0)的应力状态分别为
    {sr|r=0=sq|r=0=-0.18q0(z=a/2)
    sr|r=0=-0.8q0
    {sr|r=0=sq|r=0=-0.029q0(z=a)
    sr|r=0=-0.5q0
    由 上列四式可知，离压力面中心点越远，材料受到的围压越小，因此材料更有可能在压力面下方一定距离处首先发生破坏，开裂方向平行于最大压应力方向(Z 轴方向)，此裂纹即为中位裂纹(MC)。当压力不足以产生中位裂纹时，在压力面中心附近区域的材料将发生明显的塑性变形，其它各处的材料则保持弹性状态。
    在接触面边缘(图3中Ⅱ区)，sz=0，sr=-sq=[(1-2u)/3]q0，此时拉应力达到最大值，由sr引起的裂纹即为赫兹裂纹(CC)。在Ⅱ区以及Ⅰ、Ⅱ区毗邻的区域，由于不具备高围压条件，因此材料未表现出塑性。
    由此可见，硬脆材料在切深很小时，具备了良好的塑性变形条件，从而形成磨削过程中的犁沟阶段。即使在脆性切削阶段，与磨粒接触的材料表面仍表现出良好的塑性变形(但下层材料发生了破坏)。
  2. 硬脆材料在磨粒推挤作用下的断裂行为
    脆性材料(如玻璃)与塑性材料(如金属)在单轴拉伸、扭转时的断裂形式对比见表1。可见，金属的断裂方向平行于最大剪应力方向，符合最大剪应力准则；而玻璃的断裂方向则垂直于最大拉应力方向，符合最大拉应力准则。
    表1 硬脆材料与金属材料的断裂形式对比
    断裂形式金属材料脆性材料
    拉伸
    扭转
    断裂方向平行于最大剪应力垂直于最大拉应力
    符合准则最大剪应力准则最大拉应力准则
    研 究表明，金属材料在单轴或多轴压缩时的破坏仍符合最大应力原则，而脆性材料的破坏机理至今仍不十分清楚。近一、二十年的研究表明，在单轴压缩或围压压缩 时，脆性裂纹总是趋于剪切载荷最小的方向(即压应力最大的方向)，大多数裂纹是张性的；随着外应力的增大，微裂纹数量不断增加，大量微裂纹相互交错连接， 致使脆性材料发生完全破坏。同时，随着围压的增大，材料的塑性也增大，微裂纹的扩展方向将偏离最大压应力方向。此时，一部分微裂纹的扩展是张性的，另一部 分则是剪性的；当围压很高时，则主要发生剪切破坏。
    硬脆材料在磨粒作用下的受力情况较复杂，不能简单归结为张性断裂或剪切断裂。在磨粒刃尖附近，材料受到很高的围压，因此将主要产生剪切移动(犁沟)或剪切破坏形成的密实核；在远离磨粒刃尖的区域，则主要发生大块张性崩碎。
    材 料与磨粒两侧接触处因受到很大张应力而发生开裂，形成图4所示的蹄状裂纹(HC)。蹄状裂纹与球体侵入时产生的赫兹裂纹本质上是相同的。当蹄状裂纹扩展方 向与切削方向成较大角度(如接近90°)时，由于受到前方阻力，促使蹄状裂纹扩展的张应力很快衰减，使蹄状裂纹停止扩展。当蹄状裂纹扩展方向与切削方向成 较小角度时，压应力使蹄状裂纹不断扩展并逐渐趋于与压应力平行，从而导致沟槽两侧向产生豁口；当磨粒切削到边缘时，由于s1近似为零，因此蹄状裂纹可向两侧不停扩展，从而产生崩边。蹄状裂纹从产生到扩展都是张性的。

    图4 蹄状裂纹示意图
    图5 裂纹应力示意图
    在磨粒作用下，脆性材料并不只产生蹄状裂纹。事实上，在磨粒周围整个强应力作用区内任何地方均可能发生开裂。正是由于众多裂纹相互交贯，才使切屑呈粉碎状而非一整块，同时在被加工材料表面留下许多裂纹。
    当切削深度和切削宽度均很小时，脆性材料不发生开裂，只形成光滑的塑性沟槽，其作用机理可用图5所示结构应力强度因子来解释。
    如图5所示，无限大的平板中有直径为D的圆孔，孔内承受均匀压力P，孔两边有长度为a的裂纹。裂纹的应力强度因子为
    KI=FPp(D+a)½

    2
    		(5)
    近似认为圆孔直径D与磨粒切削宽度相等，压力P与磨粒棱面与材料的接触应力相等，将长度为a的裂纹视为材料中的天然裂纹，则由式(5)可知，在接触压力和天然裂纹长度一定的情况下，切削宽度越小，强度因子KI越小。当KI小于某一临界值KIC时，断裂就不会发生。此时，KIC为材料的断裂韧度。

4 结论

通 过对硬脆材料(玻璃)的切削试验，分析讨论了硬脆材料在力作用下的变形规律。认为当切深很小、材料所受围压力足够大时，硬脆材料会发生塑性变形；硬脆材料 的断裂行为与金属材料有着本质区别。硬脆材料在磨削过程中形成很多相互交贯的裂纹，使切屑呈粉碎状，并在被切削表面留下许多裂纹。
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辊 轮是轧钢机上的主要零件，它在实际使用过程中由于受到一定的冲击，而且表面被高速、高温红钢摩擦，要求其表面具有良好的耐磨性，同时也须有足够 的韧性，以防止受冲击而破碎。鉴于辊轮的特殊用途，决定了它的材质必须具备：①高速耐磨性；②足够的红硬性；③足够的强度和韧性。在实际使用过程中，我们 发现近似白口铸铁较为合适。但由于此材质一般为铸态使用，就不可避免地存在铸造缺陷，且硬度可达50～60HRC，加上辊轮(如附图所示)同轴度要求较 高，这给车削加工带来了极大的困难。

附图 辊轮

1 合理选择刀具牌号

辊 轮材质的强度、硬度已达到普通硬质合金刀具(YT)的强度和硬度，故普通刀具根本无法正常切削，虽然可以通过调质处理适当降低硬度，便于切削加工，但成本 太大，周期较长，因此还是选择了铸态直接加工。通过对各种高硬度刀具(包括陶瓷刀具和进口刀具)进行试切加工和反复比较，最后选定了硬度和耐磨性均符合切 削要求且价格相对较低的YS8牌号车刀进行车削加工。当然对于使用后需修复的辊轮，由于在使用过程相当于一次次地冷作硬化和淬火，硬度特高，YS8也无法 切削的情况下，我们采用陶瓷刀片进行修复加工。

2 合理选择刀具几何角度和切削用量

因为毛坯中有相当的Cr，Mo等 元素，其塑性好，强度、硬度高，变形抗力大，切削力比普通钢材高2～3倍，切削热也随之增加，导热率低，散热困难，切削区温度极高，极易损坏刀具。加之毛 坯是铸件，存在着诸如表面硬皮、气孔、砂眼、加工余量不均匀、材料硬度不均匀等缺陷，这样必然导致加工的不稳定性增大，刀具使用寿命降低，生产成本提高， 生产效率降低。针对这些因素，我们通过合理选择切削参数来改善切削加工过程。
  1. 粗加工 粗加工时其加工表面余量不均匀，毛坯表面有硬皮，因此应选尽可能大的切削深度，而切削深度越大，其产生的切削热量就越高，刀具承受的切削力就越大，为使刀 具能承受足够的压应力，采用负前角和负刃倾角(0°～-5°)来增加刀具的刚性；后角一般在6°～8°之间，主偏角在10°～30°之间，副偏角在10° ～15°之间。因毛坯硬度高，散热性差，故在粗车时还是采用了低速(80r/min)，小进给量(0.15mm/r)来适当降低切削力，切削深度选在 2～3mm之间。
  2. 精加工 因为切削深度较小，切削力较小，切削热量小，为了提高表面质量，采用较大前角，后角取大值10°，尽可能减少刀具与工件的摩擦和挤压，以提高工件表面加工 质量，主偏角在10°～30°之间；副偏角在5°～10°之间，为了避免切屑流出划伤已加工的表面，采用正的刃倾角取0°～5°之间，采用较高的主轴转速 (120r/min)，小的切削深度(0.2～0.3mm)和小的进给量0.1mm/r。
  3. 圆弧面加工 车削外圆、内孔及总长时，在普通车床上加工较经济实惠，但圆弧面在普通车床上加工尺寸就不易保证，所以辊轮的圆弧面由数控车床来完成。针对毛坯余量不均， 材质硬，编程时通过增加走刀次数，设定低主轴转速、小进给量。针对砂眼、气孔易使刀头崩刃的情况，编程时每走一刀前设置程序起点，避免每次走刀崩刃后加工 程序“从头开始”如此可节省大量时间，减少“无用功”来提高生产效率。

3 结束语

通过不断反复地实践和经验积累，生产效率有了很大的提高，从开始时的每日5～6件到目前的每日15～16件，扣除成本和折旧每年为企业净增利润9万余元，攻克了高硬度耐热材料的车削加工难关。
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自20世纪80年代中期得到广泛推广以来，硬零件车削(HPT)作为一项加工工艺已经取得了长足的发展。 在机械、零件材料、淬火工艺、切削刀具以及完备的硬零件车削设置等领域的发展，已经使硬零件车削成为一个高效率的过程，并被任何加工车间所掌握。

何谓硬零件车削

硬 零件车削(HPT)是对高硬度工件进行单点车削。通常，该工艺的硬度范围是58到68 HRc。工件材料包括硬化合金钢、刀具钢、表面硬化钢和热处理粉冶金零件。它主要是精加工工艺，但也可以是半精加工工序，要求在尺寸外形和表面光洁度上达 到很高的精度。以前通常需对这些表面进行磨削。
立方氮化硼可降低周期时间，提高质量和生产效率。
硬零件车削有诸多好处，因此有必要对大部分涉及圆形硬零件的应用场合进行分析。虽然不应把硬零件车削视为所有磨削工序的替代做法，但在有些应用场合，这两种工艺确能相辅相成。
硬零件车削的主要优点是：
  • 容易适应复杂的零件外形
  • 迅速切换多种零件
  • 能在单次设置中进行多道工序
  • 金属去除率高
  • 能够利用试运转车削时所用的计算机数控车床
  • 机床投资低
  • 金属切屑有利于环境
  • 大多数情况下不需使用冷却液
  • 最大限度减少刀具储备和车间占地面积
  • 表面光洁度往往会有优势。
立方氮化硼(CBN) 是使用最广泛的硬零件车削刀具材料，这是因为它满足了大多数应用场合所提出的要求。 它具有很高的硬度(仅次于钻石)，并能与韧度不一的刀片牌号相结合。 如今已有多种新开发的立方氮化硼刀片牌号，可满足各种日益发展的工序要求，例如切削速度、进给、连续切削和断续切削、表面精加工以及各种工况。
集 中在加工区的高切削力与高温结合后产生很高的压力，因此在硬零件加工中，刀具磨损的主要表现是切削刃上出现月牙洼磨损。 硬立方氮化硼是唯一能达到这些要求并具备合理韧度的刀具材料。 立方氮化硼牌号的最新发展已为进一步限制磨损提供了手段，同时还能改善刃口安全性、扩大应用范围，并提高切削速度达20%左右。
生产效率、质量一致性和工艺可靠性是当今硬零件车削的基本标准。 由于硬零件车削已发展成一项应用广泛的工艺，并具有在热处理后对零件进行精加工的优点，因此，在加工效率方面已提出了种种要求。
由于生产效率是当今硬零件加工中一个日益重要的因素，刀具开发起到了重要作用。 发展趋势包括提高切削速度(有些牌号可达200m/min以上)、延长刀具寿命，以及提高刀具寿命的可预测性。进给率也得到了提高，通过刀片强度和槽型的发展，达到缩短切削时间的目的。

总结

今 天，硬零件加工可以进行更广泛的优化。作为一项工艺，如今它已向 前发展，能够应对各种常规与新的要求。实现更高性能，提供更多选择，以及新一代切削刀具的问世已使这些成为可能。由于有了一系列新型及经过改进的立方氮化 硼牌号、刀片槽型和刀具路径战略，使硬零件加工能够达到更新和更高的竞争水平。

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绿 色制造是人类社会可持续发展战略的重要组成部分，其基本宗旨是：使产品从设计、制造、使用到报废处理的整个生命周期中资源利用率最高、废弃物最 少、对环境的负面影响最小。切削加工在制造业中占有重要地位，它在为人类社会创造财富的同时，也在大量消耗有限的自然资源，并造成环境污染。作为切削加工 不可缺少要素之一的切削刀具，在其制造和使用过程中同样存在资源利用和环境保护等问题。为此，人们提出了绿色刀具的概念，并将其应用于切削刀具的设计、制 造与使用。

1 绿色刀具的基本特征

根据绿色制造“节约能源、利用资源、减少污染，有利于环境保护”的指导思想，绿色刀具应具备以下特征：
  1. 最大限度地节约能源：绿色刀具在其生命周期的各个阶段所消耗的能源应最少，使能源得到最有效的利用。
  2. 最大限度地利用材料资源：绿色刀具应尽可能减少材料的使用量和使用材料的种类(少用或不用稀有材料及有毒、有害材料)，这就要求设计刀具时应在满足“切削”要求的前提下，尽量简化刀具结构，合理使用材料，并可最大限度地实现刀具材料的再利用。
  3. 最大限度地减少污染、保护环境：绿色刀具从开发设计、生产制造到使用维护乃至报废后回收处理的各个过程中均应对环境无负面影响或污染甚小。

2 绿色刀具生命周期设计体系

切 削刀具的绿色设计与传统设计方法不同。绿色设计包括概念设计、技术设计、生产制造与工艺、使用与维护、报废后的回收、重用及处理全过程的“绿色化”，即对 绿色刀具进行生命周期设计。绿色设计的重点是在设计过程中综合考虑刀具(产品)对工艺环境产生的负面影响，并将其控制在最小范围内或予以完全消除。为此， 可建立如图1 所示的绿色刀具生命周期设计体系模型。

图1 绿色刀具生命周期设计体系
该 体系模型由四个层次组成。第一层为目标层，以设计出“利用资源、节约能源、减少污染和保护环境”的绿色刀具为目标；第二层为内容层，包括绿色刀具的技术结 构设计、绿色材料选择、资源能源利用和生态环境保护四部分；第三层为过程层，即实现绿色设计内容应考虑的开发设计、生产制造、使用维护和回收处理等主要阶 段；第四层为因素层，即绿色设计过程中应考虑的主要因素，包括材料、能源、成本、效率、安全、加工质量、使用寿命、环境影响等。

3 绿色刀具的设计要点

  1. 绿色刀具技术设计的基本要求
    目前，绿色切削技术以干式切削和高速切削为主。对绿色刀具进行技术设计时，应满足以下基本要求：
    1. 为适应干式切削、高速切削对刀具切削性能的要求，绿色刀具材料应具有高强度、高硬度和良好的耐热性、耐冲击韧性等机械物理性能。现有的一些刀具材料如陶瓷、CBN、高性能硬质合金等均具有较好的耐热性、耐磨性等，可用于绿色刀具的制造。
    2. 干式切削、高速切削会显著提高切削区温度，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。为改善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(如涂覆TiN、TiC、Al2O3等涂层)，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. 排屑和散热是干式切削、高速切削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，应对绿色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. 绿色刀具几何参数的设计特点
    1. 干式切削刀具
      干 式切削时，由于刀具与切屑接触部位温度过高，因此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，但增大前角会降低刀尖 强度，为此可设置合适的负倒棱，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。
    2. 高速切削刀具
      高 速切削具有切削力小、散热迅速、加工过程稳定等优点。与普通切削刀具相比，高速切削刀具前角较小(约小10°)、后角较大(约大5° ～ 8°)。为防止刀尖处发生热磨损，可在主、副切削刃的连接处采取刀尖修圆或倒角的方法，通过加大刀尖角、增加刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积，提高刀 具刚性和减小刀刃破损概率。此外，对于高速回转刀具(包括刀柄和刀具旋转总成)还应进行精密的动平衡校验，以保证加工质量和加工安全，延长刀具寿命，提高 切削效率。
绿色切削技术的发展趋势表明，干式切削与高速切削的有机结合将获得生产效率高、加工质量好、环境污染小等多重效益。

4 结语

为 实现绿色刀具生命周期设计的总体目标，应从刀具的概念设计起就以“绿色化”为主线贯串整个设计全过程，包括在生产制造过程中选用绿色材料、采用绿色制造技 术与工艺，用户在使用中应用绿色切削技术，不产生环境污染或将污染减小到最低限度，在回收、处理报废淘汰刀具的过程中运用绿色处理技术，尽量减少废弃物且 不产生二次污染，从而实现刀具整个生命周期的“绿色化”。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.1引言
高 速切削加工不仅显著提高了零件的加工效率，而且可使工件的加工精度和表面质量达到更高的水平，是机械制造领域的重要发 展方向。高速车铣加工技术是以铣刀代替车刀，通过工件旋转和刀具高速旋转来实现回转体零件高速切削的一种先进加工技术。切削时，工件不需高速转动。因此对 实现大型和薄壁回转体工件的高速、精密加工更具独特意义。此外，高速车铣加工是间断切削，每一刀片在刀具每转中的实际切削时间不会超过1/Z(Z为铣刀齿 数)。非切削阶段，刀片可得到有效的冷却，可望在干切削条件下实现回转体零件的高速切削，有利于实现绿色制造。但干切削条件下高速车铣钢类工件时尚有许多 问题有待于从理论和实验上予以研究。对于车削加工来说，主轴卡盘系统结构复杂、体积较大、动平衡较铣削主轴要困难得多，切削速度的提高受到一定限制。而且 在高速车削钢类零件时，高温切屑沿前刀面连续流出，切削区温度高，刀具极易磨损。为此，我们选择在钢材切削加工中性能优良的金属陶瓷刀具，进行了高速车铣 实验，对其切削D60钢时的磨损特性和磨损机理进行了研究。

图1 高速正交车铣机床局部照片

2 实验设备和实验条件

高速车铣实验在改装的高速车铣机床上进行，采用正交车铣方式，如图1所示。高速车铣机床由沈阳机床三厂生产的S3-1200-1型数控车床改装而成，铣刀由高速电主轴直接驱动，采用变频调速，调速范围为0～18000r/min。刀具表面形貌由扫描电镜观察分析，工件表面粗糙度用北京时代公司生产的TR100型粗糙度仪测量。
高速车铣实验用刀片为Sandvik公司生产的PL530型金属陶瓷刀片(以TiC和TiN为基)，主偏角kr=90°，副偏角k'r=0°。实验用工件材料为D60钢，其碳、锰、硅等元素的含量与60优质碳素结构钢基本相同，但硫、磷含量略大于钢。实验用切削用量为:工件转速n工=15r/min，ap=0.5mm，f=0.5mm/r;工件直径Ø150mm;刀具转速n刀=5000r/min,(相应切削速度为392.5m/min);切削为逆式车铣削，在没有冷却液浇注冷却的干式条件下进行切削实验。

3 实验结果及分析

实验结果表明，干式高速车铣D60钢时金属陶瓷刀具磨损形态主要为后刀面磨损，磨损区外观形态呈倒驼峰形。前刀面上有与切屑流动方向一致的磨痕，但刀刃上没有微崩产生。刀具磨损形态如图2所示。

(a)后刀面
(b)前刀面
图2 干式高速车铣D60钢时金属陶瓷刀具磨损形态


图3 干式高速车铣D60钢时金属陶瓷刀具的磨损曲线
从 实验结果看，水溶性冷却液浇注冷却条件下，高速车铣D60钢时，经过18min的切削，金属陶瓷刀具后刀面磨损量、VBmax就达0.55mm。而干式高 速车铣D60钢时，经过160min的切削，后刀面磨损量VRmax达0.5mm，耐磨性较水溶性冷却液浇注冷却的湿式高速车铣要高得多。干式高速车铣 D60钢时刀具后刀面磨损曲线如图3所示。与常规切削速度下刀具磨损规律类似，刀具磨损过程由初期磨损、正常磨损及剧烈磨损三个阶段组成。显微镜观察表 明，在初期磨损阶段，刀具后刀面磨损较均匀，磨损量、旧约为0.03mm。在正常磨损和剧烈磨损阶段，后刀面磨损区外观逐渐呈现倒驼峰形，而且沿切削速度 方向形成较多磨损沟痕。
扫描电镜对刀具后刀面磨损区的观察结果表明，在后刀面磨损区有微裂纹存在，如图4所示。但与湿式高速车铣相比， 干式高速车铣时后刀面磨损区微裂纹分布密度要低得多。这是由于干式高速车铣时，虽然在刀具磨损区表层由于刀具切削过程和切出后的温度变化存在高频交变热应 力，但刀具磨损区表层温度变化远低于湿式切削时的温度变化。所以十式切削时，作用于刀具表层的高频交变热应力较小。因此，在刀具磨损区形成的裂纹幅度和分 布密度较小。

图4 金属陶瓷刀具后刀面磨损区的微裂纹
图5 硬质相脱落后在刀具磨损表面形成的微小凹坑
从图4可以看出，刀具后刀面沿切削速度方向的磨痕宽度与刀具中硬质相(如TiC)颗粒尺寸相当。进一步，我们在高放大倍数条件下用扫描电镜对磨损区表面进行观察，发现在磨损区表面有大量硬质颗粒脱落而留下的微小凹坑，如图5所示。
干 式高速车铣D60钢时，虽然在刀片非切削阶段温度有一定下降，但由于刀具转速高，非切削时间很短，因此刀片在整个切削过程中的平均温度较高。在高温条件 下，金属陶瓷刀片中的粘结相Ni、Co发生软化，其对硬质相的粘结强度下降，在切削过程中，由于机械摩擦力的作用，硬质相脱落而造成刀具磨损。此外，日本 金尺工业大学的千德英一曾用金属陶瓷刀具以300m/min的切削速度进行过钢的高速车削实验，认为金属陶瓷刀具前刀面磨损的主要原因是热扩散磨损。可以 认为，干式高速车铣切削，由于每一刀片在刀具每转中对工件切削时间不超过1/Z，因此工件材料中的Fe向刀具表层扩散，或刀具表层元素向工件、切屑中扩散 的可能性不大。但由于在于式条件下高速车铣D60钢的切削过程中刀片平均温度较高，长时间切削时，刀片里层粘结相可向表面扩散，并在后续切削过程中被带 走，这也是造成刀具表层硬质相粘结强度下降以及硬质相颗粒脱落的原因之一。

4 结论

  1. 干式高速车铣D60钢时，金属陶瓷刀具的主要磨损形态是后刀面磨损。
  2. 干式高速车铣D60钢时，金属陶瓷刀具的耐磨性较水溶性冷却液浇注冷却的湿式高速车铣要高得多。切削过程中，由于粘结相软化，造成硬质相粘结强度下降进而脱落是刀具磨损的主要原因。
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Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.0 前言淬 硬轧辊的最终加工过去常由磨削加工来完成，而磨削加工不仅效率低，而且所使用的切削液会给环境带来污染，并影响操作 者的身体健康，因此，采用干式切削刀具对淬硬轧辊的硬态干式切削加工已成为目前研究与应用的热点。淬硬轧辊的干式切削加工实现了以车代磨，加工效率提高了 5～10倍，并可避免环境污染，是一种高效、洁净的工艺方法，符合绿色制造、清洁生产模式，具有广泛的应用前景。1 干式切削淬硬轧辊刀具刀具材料及其选用
  1. 陶瓷材料
    陶 瓷刀具具有高硬度(HRA91～95)、高强度(抗弯强度为750～1 000 MPa)、耐磨性好、化学稳定性好、良好的抗粘结性能、摩擦系数低且价格低廉等优点。陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1,200℃时硬度达到HRA80。 正常使用时，陶瓷刀具耐用度极高，车速可比硬质合金提高2～5倍，特别适合高硬度材料加工、精加工以及高速加工，加工硬度可达HRC65的各类淬硬钢和硬 化铸铁等。常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。氧化铝基陶瓷刀具比硬质合金有更高的红硬性，高速切削状态下切削刃一般不会产生 塑性变形，但它的强度和韧性很低，为改善其韧性，提高耐冲击性能，通常一方面可加入氧化锆或TiC和TiN的混合物，另一种方法是加入碳化硅晶须。氮化硅 基陶瓷除红硬性高以外，还具有良好的韧性，与氧化铝基陶瓷相比，它的缺点是在加工钢时易产生高温扩散，加剧刀具磨损，氮化硅基陶瓷主要应用于断续车削灰铸 铁及铣削灰铸铁。金属陶瓷是一种以碳化物为基体材料，其中TiC为主要的硬质相(0.5～2µm)，它们通过Co或Ti粘结剂结合起来，是一种与硬质合金 相似的刀具，但它具有较低的亲和性、良好的摩擦性及较好的耐磨性。它比常规硬质合金能承受更高的切削温度，但缺乏硬质合金的耐冲击性、重型加工时的韧性以 及低速大进给时的强度。近年来通过大量的研究、改进和采用新的制作工艺，陶瓷材料的抗弯强度和韧性均有了很大的提高，如日本三菱金属公司开发的新型金属陶 瓷NX2525及瑞典山德维克公司开发的金属陶瓷刀片新品CT系列和涂层金属陶瓷刀片系列，其晶粒组织的直径细小至1µm以下，抗弯强度和耐磨性均远高于 普通的金属陶瓷，大大拓宽了陶瓷材料的应用范围。
  2. CBN
    CBN的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有极好的高温硬度，与陶瓷刀具相比，其耐热性和化学稳定性稍差，但冲击强度和抗破碎性能较好。它广泛适用于淬硬钢(HRC50以上)、珠光体灰铸铁、冷硬铸铁和高温合金等的切削加工，与硬质合金刀具相比，其切削速度可提高一个数量级。
    CBN 含量高的PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击韧性好，其缺点是热稳定性差和化学惰性低，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工。复 合PCBN刀具中CBN颗粒含量较低，采用陶瓷作粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差、化学惰性低的特点，适用淬硬钢的切削加工。
    使 用PCBN刀具干式切削淬硬轧辊还应遵循以下原则：在机床刚性允许条件下尽可能选择大切深，这样切削区生成的热量使得刃前区金属局部软化，能有效降低 PCBN刀具的磨损，此外在小切深时还应考虑采用PCBN刀具导热性差而使得切削区热量来不及扩散，剪切区也能产生明显的金属软化效应，减小切削刃的磨 损。
刀片结构及几何参数确定
刀片形状及几何参数的合理确定对充分 发挥刀具切削性能是至关重要的。按刀具强度来说，各种刀片形状的刀尖强度从高到低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、 35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能高的刀片形状。硬态车削刀片也应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半径刀片粗加工，精加工时的刀尖半 径约为0.8µm。
淬硬钢切屑为红而酥软的锻带状，脆性大，易折断，不粘结，一般在切削表面不产生积屑瘤，加工的表面质量高，但淬硬钢切削力比较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，所以刀具宜采用负前角(g0≥-5°)和较大的后角(a0=10～15°)，主偏角取决于机床刚性，一般取45～60°，以减少工件和刀具颤振。
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金 属切削加工是通过刀具和工件的相对运动来完成材料的移除。切削时会产生大量的切削热，使刀具、工件甚至机床的温度升高。为了减少刀具磨损、降低 加工部位的温升，通常使用大量的切削油。但是，使用切削油作为冷却润滑剂会造成很多问题。首先是环境问题：在加工过程中产生的大量油雾、飞溅的油沫以及泄 漏的切削油是车间厂房的主要污染源；粘附在切屑上的油污很难清除，往往随废水排入江河，污染环境；在切屑回收过程中，使用燃烧或化学处理方法清除油污，不 仅增加了回收成本，而且再次污染环境。其次是成本问题：据日本有关方面统计，在金属切削加工中，刀具使用费约占加工成本的8%，而与切削油有关的费用则高 达15～30%(如图1所示，包括油料采购费、油料管理费、废油料处理费、油料循环设施耗电费、油雾处理费等)。为了改善加工环境，ISO14000系列 标准对环境管理及监测进行了严格的规定。为此，各国政府花费大量资金资助“绿色加工”研究，并取得了明显成效，绿色金属切削加工技术的实施势在必行。干式 加工作为一种“绿色加工”技术，将成为未来切削加工的发展趋势。据有关方面估计，随着世界各国对环境保护的日益重视，今后几年，工业发达国家会设置禁止使 用油剂切削机床出口的国际贸易壁垒。因此，如果不充分认识绿色加工的重要性并采取积极措施，我国现有机床出口将可能遭受严重损失。同时，随着国内用户需求 的改变，传统金属切削加工机床的市场也会受到挑战。因此，应该充分认识“绿色加工”的重要意义，积极推广干式切削技术。

图1 金属切削加工的成本构成

1 干式切削工艺

干式切削加工工艺的成败，关键在于选择一种可以不用切削液的切削加工方式。目前，开发比较成功的干式切削工艺有两种，即高速干式切削法和空气流切削法。
  1. 高速干式切削工艺
    高 速干式切削就是在无冷却液、润滑油的条件下，采用很高的切削速度进行切削加工。因此，干式高速切削需要在一定的切削条件下进行。首先是选用很高的切削速 度，尽量缩短刀具与工件的接触时间，再用压缩空气或其它方法移去切屑，以控制工作区域因切屑堆积而造成的温升。随着机床制造技术的发展，提高机床的切削速 度并非难事；当切削参数设置正确时，80%的切削热量将被切屑带走，使切削点的温升降低。
    高速干式切削法对刀具有严格的要求，适合高速干式切削的刀具必须具有以下特点：
    1. 刀具材料应具有优异的耐高温性能，可在无切削液的条件下工作。通常采用新型硬质合金、聚晶陶瓷和CBN材料。
    2. 良好的刀具结构设计，使切屑与刀具之间的磨擦系数尽可能小以减少热堆积。最有效的方法是采用刀具表面涂层工艺。
    3. 比湿式切削刀具具有更高的强度和抗冲击韧性。
    国外高速干式切削的研究工作开展较早，条件也较为成熟，西欧国家已有近1/3的企业开始采用。但是，由于高速干式切削对加工条件要求比较苛刻，给机床在线稳定生产造成一定的难度，使用复杂刀具加工时更为突出，因此，该工艺在我国短时期内难以普及。
  2. 空气流切削工艺
    空 气流切削法包括MQL(微量润滑)切削、低温冷风切削、氮气流切削及蒸气切削法。MQL切削是在切削中用压缩空气加微量润滑剂代替切削油剂，低温冷风切削 是在MQL切削法的基础上降低压缩空气的温度进行切削，氮气流切削是在切削中用氮气流代替低温冷风，蒸气切削则是在切削时用蒸气代替切削油剂。

    图2 干式车削、油剂车削、MQL车削与低温冷风车削时的刀具切削寿命对比
    1996 年，日本横川技术士研究所、工学院大学的横川和彦教授、横川宗彦副教授等人对低温冷风切削加工技术的研究获得成功。低温冷风切削加工是在切削时使用- 10℃～-100℃的低温冷风和非常微量的植物油代替冷却润滑剂实施切削的方法。研究表明：在金属切削过程中，如果只给加工点提供非常微量、润滑效果良好 且未被氧化的植物油，加工点会因高温而丧失润滑性，使刀具很快磨损。如果加工时提供低温冷风，加工点的高温化就可得到缓解，达到延缓刀具磨损的目的。如果 在给加工点提供低温冷风的同时，再加上润滑效果良好且未被氧化的微量植物油，不仅加工点的高温化可得到缓解，而且刀具的润滑性也可得到保证。试验证明，采 用低温冷风切削时，车刀的寿命可以延长两倍以上。采用不同切削方法时的切削寿命对比见图2。
    近几年来，国外对低温冷风切削技术的研究已 趋成熟，低温冷风切削技术已为机床生产企业所接受并相继推出采用该技术的机床产品。如日本安田工业公司的加工中心采用在电机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管 的结构，使-30℃的低温冷风直通刀刃，该结构大大改善了切削条件，更有利于低温冷风切削加工工艺的实施。此外，日本三井精机推出的加工中心、罔本工作机 械推出的平面磨床、森精机推出的车床等都使用了低温冷风切削技术。为了保证切屑的迅速处理，这些机床的结构都作了较大的调整。同时，与之配套的低温冷风发 生系统的生产也实现了商品化，并正在成为日本机床行业新的销售热点。

2 低温冷风切削技术的特点

  1. 勿需作加工尺寸补偿
    在使用油剂切削时，由于油剂温度高，工件受油温的影响会发生膨胀，加工时往往需要进行尺寸补偿。使用低温冷风切削工艺后，由于采用稳定的低温冷风，大大减少了工件的热变形，因此，勿需进行加工尺寸补偿。
  2. 有利于提高加工精度
    研究表明，冷风可以使加工点的温升低于60℃，工件加工界面残留应力趋于零，对提高加工精度具有重要意义。
  3. 提高刀具寿命
    试 验表明：在同一台机床上使用相同材料的车刀进行切削，分别用+10℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃的冷风冷却切削点，试验结果大为不同：以横刃 面磨损至0.1mm为限，在风温为+10℃时切削长度为140米；风温为-5℃时切削长度为330米；风温为-10℃时切削长度为760米，风温为- 20℃时切削长度为1220米，风温为-30℃时切削长度高达1400米。从试验结果可知，采用低温冷风切削可明显提高刀具的使用寿命。
  4. 提高加工效率
    在使用油剂切削时，为了防止油雾扩散和油沫飞溅，加工时需要使用护罩，高速切削机床还设有全密封护罩。护罩的使用阻碍了上下工件，增加了频繁开启时间。采用低温冷风切削可解决这个问题，明显提高加工效率。此外，刀具寿命的延长也提高了机床的加工效率。
除此之外，由于机床不再使用切削油，因此，可以直接观察加工状态，有利于操作；可以节约机床切削油循环系统、油雾分离装置等的制造费用，降低机床制造成本；可以节约机床切削油循环系统占用的车间面积，降低零件加工成本；同时，更有利于难切削材料的加工。

3 低温冷风发生装置的研究

要 采用低温冷风切削技术，最重要的是必须配置相应的低温冷风发生装置。目前国外如日本已有多家工厂生产这种装置，已形成商品的低温冷风发生装置的结构形式主 要有：氮气流发生装置、使用低沸点工质作冷媒的间接冷却装置以及通过压缩空气冷冻循环的间接冷却方式等，但其价格都比较昂贵。(日本生产的低温冷风发生装 置的价格随冷风排放量的大小不同，每台分别在150万日元～340日元之间)。
国内对低温冷风发生装置的研究也在顺利进行。目前，实验室样机已经投入试验使用。相信国产低温冷风发生装置的研制成功必将推动我国干式切削技术得到更广泛的应用和发展。
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