干式切削加工及其应用

邓 祎

(山西机电职业技术学院 机械工程系，山西 长治 046011 )

0 引言

21世纪的环境保护问题仍然是世界各国关注的焦点，如何在发展的同时兼顾保护环境是各行各业所面临的实际问题，相同的问题在机械加工行业中也是同样存在的，比如切削加工中长期以来使用的切削液污染问题就是其中之一。切削液在加工中的主要作用是降低切削区温度、改善工件表面质量，以及润滑刀具和工件，在断屑与排屑等方面也能起到一定的辅助作用，但其在使用过程中带来的弊端也引起了人们的足够关注，主要体现在以下几方面：①切削液的使用需要一套专门的设备，在维护、保养、存储、管理和清洁等方面需花费一定的辅助时间和成本支出；②切削加工过程中由于切屑高温使接触的切削液瞬间雾化，油雾状颗粒弥漫在空气中，对环境造成污染，人体吸入后会危害健康；③作为切削产生的附加物切削碎屑需要进行无害化处理，增加了加工成本；④由于不可避免的原因所产生的切削液泄漏和溢出而造成污染环境，给安全生产带来隐患；⑤切削液使用过程中会对刀片产生冷热不均的变化，致使刀片容易开裂损坏，该过程对刀片的耐用度和使用寿命产生影响。应用干式切削加工技术，可以彻底避免切削液所产生的环境污染问题。欧、美、日等工业发达国家近些年来开发实施了干式切削加工技术，欧洲约有10%～15%的切削加工不使用切削液，并体会到其所带来的技术优越性。本文就干式切削的特点、刀具材料的选择、刀具的设计以及干式切削加工的应用等进行论述，以期为干式切削加工的发展提供参考。

1 干式切削加工的技术特点及刀具材料的选择

1.1 干式切削加工的技术特点

干式切削加工技术是一种不使用切削液的金属切削加工技术，其优点有：①金属切屑没有切削液的污染，回收方便；②生产处理设备简单，不产生与切削液相关的费用支出，可有效降低辅助时间和减少成本；③可大大降低生产过程中造成的环境污染；④避免由于刀片冷热不均匀造成的刀片破裂损坏，提高了刀具的耐用度和使用寿命。

1.2 干式切削加工所使用的刀具材料

21世纪刀具材料的技术发展又进入了一个新阶段，由一些新技术研发出来的刀具材料在加工性能上也已经具备了干式切削加工的条件，比如刀片表面涂层技术的发展与应用，它为干式切削加工技术的发展奠定了良好的基础和技术支撑。干式切削加工在刀片材料的硬度、耐磨损性、抗弯强度、抗冲击韧性、耐热温度、导热性能以及加工工艺性能和经济性能等方面比传统切削加工要求更高，其中高温硬度和耐磨损性又是重要的性能指标。陶瓷材料、立方氮化硼(CBN)材料、聚晶金刚石(PCD)及超细晶粒硬质合金材料等均已基本具备了上述各方面性能要求，是金属机械加工干式切削的首选刀具材料。

1.2.1 陶瓷

陶瓷刀具的主要技术优点是硬度高，耐磨损性能好，高温硬度保持性好，不与任何其他金属元素直接发生亲和，化学性质稳定，抗黏结性能好，刀具切削线速度是硬质合金刀具的两倍以上，刀具耐用度高，切削加工效率高。陶瓷刀具材料中最为常见的两类代表材料是氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。氧化铝基陶瓷刀具材料主要代表有：纯氧化铝系陶瓷、氧化铝-金属系陶瓷、氧化铝-碳化物-纳米金属陶瓷、氧化铝-碳化物系陶瓷。氮化硅基陶瓷刀具材料的硬度一般可以达到HRA 93～HRA 94，抗弯强度可达到700 MPa～1 100 MPa，比氧化铝基陶瓷材料高。陶瓷刀具主要适用于高硬度、低硬度和高韧性材料的切削加工，一般在灰铸铁、球墨铸铁、淬火钢、一些未淬火钢和耐热合金等材料加工中应用较多，但对铝材料的加工不适用。

1.2.2 立方氮化硼(CBN)

立方氮化硼制造的一个关键工艺过程是在六方氮化硼粉末中直接加入相应的催化剂，在一定的高温和高压下进行反应转化而形成，其硬度一般可达HV8 000～HV9 000(略低于金刚石)，耐热温度一般可达1 300 ℃ ～1 500 ℃ 。其主要优点是硬度高、耐磨损性能好、不易产生化学反应、红硬性能好、摩擦因数和热膨胀系数低，不与含铁族元素相互亲和。CBN刀具在各种钢铁材料精密加工、磨削加工中使用得比较多，在使用高的切削速度切削铁族的黑色金属、淬硬钢和高温合金等难加工金属材料方面也具有其独特的技术优势，由于它本身拥有优良的耐热和抗高温性能，可以广泛应用于一些难加工材料的加工，如耐热钢、不锈钢、钛合金、高硬度冷硬辊、渗碳淬火材料、硅铝合金等的加工。与硬质合金刀具相比，CBN刀具的硬度高、脆性大；与陶瓷刀具相比，其耐热性能和化学稳定性都要差，但抗冲击强度和抗破碎能力较强。

1.2.3 聚晶金刚石(PCD)——人造金刚石

天然的硬金刚石被广泛认为是所有自然界中最硬的一种材料，它具备良好的耐磨损性能，能磨出0.01 μm的锋利刃口半径，刀具使用寿命长，不足之处是自然界中存量稀少，价格不菲，在生产实际中应用不经济，一般只在高速切削和精密加工中使用。

聚晶金刚石(人造金刚石)刀具的价格比天然金刚石刀具便宜，焊接性能和磨削性能好，可作为天然金刚石刀具的良好替代品。聚晶金刚石是由人工制成的金刚石微粉经过高温高压聚合而形成，硬度可达HK6 500～HK8 000(硬度略低于天然金刚石)，耐磨损性能极高，导热性能好，热膨胀系数低，缺点是韧性比硬质合金差，比高速钢更差，刀具的主要失效形式为刃口崩裂缺失。聚晶金刚石刀具能够研磨出刃口圆弧半径较小的锋利刀刃和较低的表面粗糙度，适用于加工高耐磨性材料、石墨材料、复合材料、高硅铝合金材料等硬而脆的非金属和有色金属材料。因为聚晶金刚石(PCD)刀具材料中的碳元素容易与含铁的铁族元素材料产生化学反应，使刀具的硬度降低，故含铁的铁族元素材料不能用聚晶金刚石刀具加工，由于耐热温度的原因，切削区温度也不宜超过600 ℃。

1.2.4 超细晶粒尺寸硬质合金

超细晶粒硬质合金的晶粒尺寸一般控制在0.5 μm以下，硬度一般可达HRA 90～HRA 93，抗弯曲强度一般可达2 000 MPa～3 500 MPa，具有抗弯曲强度高、硬度高、韧性好的特点。在不良切削条件下超细晶粒硬质合金刀具抗崩刃和抗缺损能力较好，若进一步在其表面上涂上金属或非金属化合物涂层，其切削和加工性能将会有更好的改善和提升，其主要适用于钴基、镍基、铁基等超耐热合金以及其他不锈钢、高硬度材料的切削加工。

1.2.5 涂层氮铝钛(TiAlN)刀具

氮铝钛涂层材料具有硬度高、抗磨损、热力学性能良好、耐热性好(耐热温度为1 000 ℃～1 200 ℃ )、抗黏结和耐腐蚀性能良好、化学稳定性强、热传导系数低等特殊优点。在同等寿命和耐用度下涂层氮铝钛刀具车削和铣削加工中可采用高效的切削参数，可提高切削加工效率，在干式切削加工时性能优越。实验数据表明，刀片涂层适宜的厚度为2 μm～18 μm ，涂层厚度较厚时刀片的抗冲击性能和耐高温能力反而不如较薄的涂层厚度刀片，在干式切削加工中应采用薄的涂层刀具，使用寿命可提高40%左右。

2 干式切削加工刀具设计时需要考虑的问题

2.1 刀具材料的选择

干式切削加工时，刀具材料的重要性能参数是耐高温性能和高温硬度，加工时应根据不同的工件材料、加工性质和加工特点等进行合理选择，常选用的干式切削刀具材料有陶瓷、立方氮化硼、聚晶金刚石、超细晶粒硬质合金和氮铝钛涂层。

2.2 刀具的几何形状设计

设计刀具几何形状时，要以降低切削力、减少摩擦、减少热量产生、保证切屑顺利排出为主要目的。当加大刀具前角时，切削刀刃的尖锐和锋利程度就会提高，切削的变形也就随之变小，生成的切削热量小，在切削区域内的温度就会逐渐变低。但刀具前角过大，将会极大地减少刀具的散热能力和体积，导致刀具内部的散热容量大大减少，切削区域的温度反而更高，在切削加工中我们需要根据不同的切削场合来选择恰当的刀具前角，当刀具前角大于18°～20°时，对降低切削区域的温度作用并不显著。当刀具主偏角逐渐减小时，散热面积会逐步加大，有利于控制切削过程中切削区域温度的升高。刀尖的圆弧半径增大，能够减小平均切削主偏角，加大刀刃切削宽度，散热面积范围扩大，对于切削中温度的降低较为有利。刃倾角的变化对于切削温度的影响很小。负倒棱能够提高切削刃口的强度，对于切削温度的影响不大。设计合理的断屑槽对于完成切屑的折断和排出都比较好，在加工工具钢、合金钢、碳素钢时可以选择直线加圆弧形断屑槽、折线形断屑槽；加工高塑性工件材料，如纯铜、不锈钢等工件材料时可以选择全圆弧形的断屑槽。

2.3 表面涂层

涂层刀具非常适用于干式切削加工，具有很好的发展潜力。刀片通过涂层处理可以有效隔离刀具表面和工件材料的接触，起到减少摩擦、减少热传导，减少刀具材料吸热的作用，刀具所承受的切削温度比未涂层刀具提高了许多。

3 干式切削加工的应用

近年来，美国、德国和日本等国家在干式切削方面进行了许多的实验和实际加工探索，一些可行的技术已经在生产实际中应用，也取得了比较明显的效果，我国在这方面起步较晚，虽然也取得了一些成绩，但对其技术问题的研究和探索还处于起步阶段。

铸铁材料加工不使用切削液是干式切削加工应用多年的实例之一，高速加工时利用性能优越的陶瓷或CBN刀具进行切削，金属切除率可大大提高。由于镁金属的易燃性较强，不能受潮，与切削液中的水接触会产生化学反应，所以镁金属作为难加工材料是必须使用干式切削的。

近年来，随着细颗粒硬质合金材料和表面涂层等技术的应用，钻削加工也可以采用干式加工，使钻削加工在传统使用切削液的基础上有了一定程度的突破。