高速干式切削加工技术及其应用下0开槽螺母

高速干式切削加工技术及其应用(下)

高速干式切削加工技术及其应用(下) 2011年12月10日 来源： (2)研究开发适合高速干式切削加工的刀具涂层

对刀具表面进行涂层处理可减小刀具与工件表面之间的摩擦，减小切削力，降低对切削液润滑作用的依赖。

目前，用于高速干式切削刀具的涂层技术主要有两类，一种是“硬”涂层，如TiN、TiC、Al2O3等。此类涂层刀具表面硬度高、耐磨性好，其中，TiC涂层刀具抗后刀面磨损能力很强；TiN涂层刀具则有较理想的抗月牙洼磨损能力。另一种是“软”涂层，如MoS2涂层、WS2涂层等。此类涂层刀具的优点是表面摩擦系数很低(约0.01)，切削时可减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，故又称为自润滑刀具。例如，瑞士开发的“MOVIC”软涂层技术在刀具表面涂覆一层MoS2。切削实验表明，在Si含量为9%的铝合金工件上进行干式攻丝加工时，普通丝锥只能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可以加工1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可以加工4000个孔。TiAlN是高速干式切削常用的涂层材料，它与基于MoS2的“MOVIC”软涂层结合使用时，可获得更好的加工效果。

(3)优化刀具几何形状

针对高速干式切削加工的特点，需要对高速干式切削加工刀具的几何形状和结构进行优化：

①减少加工刀具与工件表面之间的接触面积。如加大钻头的导程和倒锥角，以防止切屑阻塞，改善排屑性能。改进后效果明显，钻孔能力可提高数倍。如美国Carboloy公司把刀片制成超大正前角(+34°）加强刃，前刀面呈多条弧形沟，以减少切屑与前刀面的接触，使切削温度大大降低，采用常规切削速度加工时，刀具寿命可提高3～4倍。

②考虑刀具表面的最大润滑性，防止产生积屑瘤。

③在高速干式切削加工时，可对细颗粒硬质合金刀具和PCD刀具的切削刃口作微小钝化，以刀具基体的强度来保持刃口的锋锐性，达到降低切削温度的目的。这样不但可保持刀具的优良性能，还可延长刀具的最佳使用寿命。

④在高速干式切削加工韧性材料时，断屑槽的断屑性能起着十分关键的作用。可针对不同的工件材料和切削用量，设计相应的断屑槽结构与尺寸，提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。在封闭空间进行高速干式切削(如干式钻削、干式铰削、干式攻丝等)时，则应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。例如，德国WZL的切削试验表明，在用硬质合金钻头干式钻削回火钢时(孔深30mm，孔径11.8mm，进给速度vc=80m/min，每次进给量f=0.2mm)，标准钻头只能钻削约400个孔，而经过优化设计、加宽了钻头排屑槽几何形状的钻头可钻削高达2200个孔，优势明显。

2.3高速干式切削加工参数的选择

针对高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削热明显增大的情况，需要重新考虑权衡和合理选用相应的切削参数，以使高速干式切削加工过程的动态稳定性满足加工要求。

2.4高速干式切削加工辅助技术

如前所述，高速干式切削时切削力大、切削温度高，尤其在对某些超硬材料进行干式加工时难度很大，因此可以采用某些特殊加工辅助技术。如在对氮化硅(Si3N4)工件进行高速干式切削时，由于该材料的抗拉强度极高，使用任何刀具都会很快破损，此时可采用激光辅助切削技术，即用激光束对工件切削区进行预热，使工件材料局部软化(抗拉强度由750N/mm降至400N/mm)，这样可改善材料的可加工性，使切削力减小30%～70%，刀具磨损降低80%左右，切削过程中的振动也明显减少，材料切除率大大提高，使高速干式切削得以顺利进行。

此外，还可采用液氮冷却高速干式切削和高速准干式切削技术，其中，高速准干式切削(也称为最小量润滑技术，MQL)是目前已投入应用的一种新型切削技术。用MQL方法进行切削加工，工件和切屑可保持干燥、清洁，干净的切屑经过压缩还可回收利用，完全不会污染环境。该技术所需投资很少，但收效很大。据称，目前欧洲每年约需15000台具有最小润滑量装置的高速机床，而且需求量还在迅速增长。3.高速干式切削加工技术的应用

高速干式切削加工技术是一种正在不断发展的新兴加工技术，随着诸多技术问题(如机床、刀具、涂层、切削参数等)的不断解决，高速干式切削加工的应用范围正进一步扩大。目前，高速干式切削加工在车削、铣削加工中的应用(尤其是铸铁材料的高速切削)已日益普遍；在钻削、铰削、攻丝、拉削和滚齿等方面也有重大突破。

例如，德国格林公司用钛基硬质合金钻头进行高速干式钻孔时，切削速度高于200m/min，钻头装夹的同轴度小于0.01mm。该公司采用Ti(C，N)基硬质合金铰刀铰孔时，与使用刃口锋利的未涂层细晶粒硬质合金铰刀相比，铰孔表面光洁度更高，刀具寿命更长。Emuge UK公司开发出了用于高速干式切削的螺纹刀具。用该刀具加工低碳结构钢时，以15m/min的切削速度干加工1000个螺孔，丝锥未发生明显磨损；加工工具钢时，将切削速度降至10m/min，也能达到同样的刀具寿命；以5m/min的切削速度在含铬量10%的镍基合金不锈钢工件上攻螺纹时，可加工1000个螺孔；以20m/min的切削速度在HT300铸件上攻螺纹时，加工超过4000个螺孔，丝锥仍未出现明显磨损。据报道，美国Leistritz Carp.生产的新型PW系列CNC旋风机床具有多个滑动刀架，能完成车削和旋风铣削复合加工。该机床在一次安装工件后，可对螺纹或螺旋形工件进行多工序的干式切削加工。该公司还开发出用CBN刀具在硬度高达62HRC的硬材料上旋风干铣削精密螺纹的新工艺。美国生产的LC82型CNC干式切削滚齿机，工作台转速可达250r/min，在重切削范围内，滚刀转速为2000r/min，驱动功率为7.5kW。Ford公司用硬质合金滚刀进行干式滚齿，加工成本可下降44%，且滚刀寿命比高速钢滚刀湿式切削提高6倍(由原来加工39000个齿轮提高到252000个)。采用细晶粒TiN、Ti(C，N)或(Ti，Al)N涂层的硬质合金滚刀干式滚齿时，切削速度可达350～400m/min。使用TiN涂层的高速钢圆拉刀干式拉削42CrMo4V合金钢时，拉刀寿命可比未涂层拉刀湿式拉削时提高3倍。

此外，高速干式切削加工在铣削中的应用也相当广泛。例如：上海某汽车零部件加工企业在加工上海通用汽车公司别克轿车的排气管时，采用SECO公司的Tl50M黑色涂层硬质合金刀片干式铣削铸铁排气管端面(刀盘型号R220-43-0088-5，88mm，z=5；刀片型号OFET070405TN-16；刀片涂层等级T150M；切削参数：n=1100r/min，i=1～1.2mm，vf=600mm/min)，每个切削刃的切削寿命超过100件，与原来采用的另一公司的四方形陶瓷刀片相比，生产效率明显提高，且所用八角形硬质合金刀片有8个刃口，比陶瓷刀片的刃口数增加1倍，价格也更便宜，加工经济性显著改善。再如，SECO公司开发的整体结构PCBN牌号系列中的CBN300刀片已成功运用于上海通用汽车公司新建成的发动机柔性生产线上，用于干式铣削灰口铸铁缸体平面(刀盘型号822033-0100-12CT，z=8；刀片型号SNMN090312S；切削参数：ae=80mm，ap=4～5mm，f=0.15mm，vc=1600m/min)。该刀片加工时表现出优异的切削性能，铣削速度可达1600m/min，每个切削刃的工作寿命为170件，刀具寿命为普通PCBN刀片的4倍，与陶瓷刀片相比可提高50倍，大大提高了发动机的加工效率。

4.前景展望

高速干式切削加工技术是对传统的高速湿式切削生产方式的一种革命性变革，是一种理想的“绿色制造”工艺方法，是对传统制造观念和生产方式的一种挑战，它的推广应用将在机械制造行业引起广泛而深远的影响。国外对高速干式切削加工技术的研究已相当深入，且应用范围也比较广泛。我国对此项技术的研究及开发还处于起步阶段，与国外相比有不小差距，在实际应用中也遇到许多困难和障碍，涉及到观念更新和技术攻关两个方面，需要进行长期不懈的努力。但是，高速干式切削加工代替高速湿式加工是机械制造业未来的发展趋势，相信随着高速干式切削加工技术的进一步发展和不断成熟，它必将展现出广阔而美好的发展前景。

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