干切削的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用(一)
僅僅20年前，切削液還是比較便宜的，且占多數(shù)加工過(guò)程的比重小于3%。所以很少有機(jī)械加工廠對(duì)它們關(guān)注很多。在那以后，隨著時(shí)間的推移，發(fā)生了戲劇性的變化：如今的切削液費(fèi)用估計(jì)達(dá)每年幾十億美元，且占生產(chǎn)成本比重高達(dá)15%�，F(xiàn)在，機(jī)加工行業(yè)無(wú)時(shí)不刻都在為他們的切削液擔(dān)憂。
切削液，尤其是那些含油的切削液，已成為巨大的負(fù)擔(dān)。不管某種切削液有多么安全和環(huán)保，政府法令仍將要求你從傾倒到池里的那一刻起就進(jìn)行特殊處理。即使當(dāng)?shù)卣试S你從桶中傾倒清潔的不含油的合成液到排水溝，一旦它同在機(jī)床里夾雜的油和金屬碎屑混合，它就變成一種受控的工業(yè)廢料。不僅美國(guó)環(huán)境保護(hù)局管理這種混合物的處理，而且許多州和地方政府也已把它們作為有害廢物進(jìn)行分類，如果它們含油和某些合金，更要加強(qiáng)嚴(yán)格控制。
因?yàn)楹芏喔咚偌庸ず颓邢饕簢娮飚a(chǎn)生油霧或工人能呼吸到的氣溶膠，政府機(jī)構(gòu)還限制空氣里切削油霧的允許含量。環(huán)境保護(hù)局已經(jīng)計(jì)劃出臺(tái)更嚴(yán)格的針對(duì) 控制這些空氣里微粒的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高機(jī)加工企業(yè)的計(jì)劃成本和責(zé)任。職業(yè)安全和健康管理局也正在考慮一個(gè)咨詢委員會(huì)推薦通過(guò)一個(gè)最大值到0.5mg/m3 和作用水平到0.25mg/m3的法令，來(lái)限制較低的切削液氣霧允許暴露量。
維護(hù)、記錄存檔和遵循現(xiàn)行和計(jì)劃的規(guī)定所產(chǎn)生的成本正迫使切削液價(jià)格迅速上漲。大型工廠支付從幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)的資金來(lái)維護(hù)切削液，只要有可能，就 安裝和使用合適的附件和油霧收集器以及切屑、碎屑和用過(guò)的切削液的處理，來(lái)推遲它們的處理。其結(jié)果是，很多機(jī)加工企業(yè)正在就通過(guò)干切削來(lái)避免費(fèi)用和伴隨切 削液產(chǎn)生的副作用展開討論。
雖然大多數(shù)工廠可能承認(rèn)有取消切削液的愿望，但他們不能確定能否做得到。他們相信，要獲得更高的速度和切削更硬的材料，他們必須使用切削液來(lái)維 持競(jìng)爭(zhēng)力。很多從濕式加工轉(zhuǎn)變到干加工的可見(jiàn)成本也很高。但如今都不成為問(wèn)題。實(shí)際上，在很多加工中，常規(guī)操作應(yīng)該是干加工。再者，干車削硬材料和高速干 銑削不僅是可行的，而且有利可圖。其技巧是正確集成刀具、機(jī)床和切削技術(shù)。
有害無(wú)益的切削液
更多采用干切削的最大障礙之一是切削液對(duì)于取得較好光潔度和更長(zhǎng)刀具壽命是必不可少的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。雖然現(xiàn)實(shí)中切削液對(duì)于許多加工仍然是必要的，但是研究表明，有了現(xiàn)代切削刀具材料和當(dāng)今更高的切削速度，并非一定要使用切削液。先進(jìn)的硬質(zhì)合金材質(zhì)牌號(hào)，尤其是有涂層保護(hù)的，在高速高溫下不使用切削液實(shí)際上切削更有效率。實(shí)際上，在斷續(xù)切削時(shí)，切削區(qū)溫度越高，越不適合使用切削液。
這種似乎與直覺(jué)相反的趨勢(shì)原因在于：切削區(qū)溫度變得非常高，通常超過(guò)1000℃，尤其是在高速切削和硬材料切削時(shí)。舉例來(lái)說(shuō)，假定切削液能克服銑刀高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，切削液在到達(dá)切削區(qū)之前早已汽化，對(duì)那里幾乎沒(méi)有冷卻作用。
結(jié)果是有一個(gè)在當(dāng)?shù)镀腥肭谐鰰r(shí)產(chǎn)生先天的溫度波動(dòng)更明顯的區(qū)別。隨著刀具的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)镀谐鰰r(shí)冷卻，然后在切入時(shí)再一次被加熱。雖然在干切削時(shí)也發(fā)生加熱和冷卻循環(huán)，但是當(dāng)有切削液時(shí)溫度波動(dòng)更大。隨之發(fā)生的熱沖擊會(huì)在刀片上產(chǎn)生應(yīng)力，并會(huì)使其過(guò)早破裂。
相似的結(jié)果也在車削時(shí)發(fā)生。譬如當(dāng)在切削速度高于130m/min時(shí)切削碳鋼，暴露在冷卻液里的未涂層硬質(zhì)合金刀片能承受顯著的熱沖擊少于40 秒。這種沖擊通過(guò)輕微增加前刀面磨損和劇烈的后刀面磨損，顯著縮短刀具壽命。因?yàn)榇蠖鄶?shù)車削加工少于40秒，對(duì)于刀具壽命來(lái)說(shuō)，干車削通常更可取。
另一方面，在鉆削時(shí)，為了提供潤(rùn)滑和把切屑從孔里沖出來(lái)，切削液通常是必須的。沒(méi)有切削液，切屑會(huì)堵在孔里，而且平均表面粗糙度Ra是濕式加工 的兩倍。切削液通過(guò)潤(rùn)滑邊緣碰到孔壁的鉆尖，也能降低需要的加工扭矩。雖然涂層鉆頭在某種程度上會(huì)增加切削液的潤(rùn)滑效果，但是，降低切削力的涂層最可能的 趨勢(shì)是把摩擦降到最低。
因?yàn)檫�沒(méi)有用于預(yù)測(cè)切削液效果和性能的科學(xué)模型，是否采用干切削取決于具體的加工案例。潤(rùn)滑液通常針對(duì)低速加工、難加工材料和對(duì)表面光潔度有要 求的加工場(chǎng)合，而冷卻能力強(qiáng)的切削液會(huì)提高高速加工、易切削材料、簡(jiǎn)單加工、積屑瘤問(wèn)題和緊尺寸公差加工的性能。然而，很多時(shí)候，切削液提供的額外性能并 不值得額外的開銷。在越來(lái)越多的加工中，切削液簡(jiǎn)直是不必要的或有害的，因?yàn)楝F(xiàn)代切削刀具適合更高的溫度，而且壓縮空氣能從切削區(qū)域帶走熱切屑。
用涂層處理熱量
涂層通常是當(dāng)今不再需要切削液的另一個(gè)原因。它們通過(guò)抑制從切削區(qū)到刀片或刀具的熱傳遞來(lái)控制溫度波動(dòng)。涂層的作用就像熱屏障，因?yàn)樗斜鹊毒?/FONT> 基體和工件材料低很多的熱導(dǎo)性。因此涂層刀片和刀具吸收較少的熱量，能承受更高的切削溫度，這意味著車削和銑削時(shí)，可在不犧牲刀具壽命的前提下進(jìn)行更高速 的切削。
厚度范圍在2～18μm的涂層在刀具性能里扮演著重要角色。因?yàn)楸⊥繉颖群裢繉釉诳焖倮鋮s和加熱過(guò)程中引起應(yīng)力更低，并且不易破裂。對(duì)于斷續(xù)切 削，這個(gè)厚度范圍較薄的一端承受溫度波動(dòng)的能力更佳。在相同的應(yīng)力下，厚涂層在加熱或冷卻太快時(shí)容易破裂。因此，用薄涂層刀片進(jìn)行干加工通�？梢匝娱L(zhǎng)刀具 壽命達(dá)40%。
這是為什么圓刀片和銑刀片通常采用物理氣相沉積(PVD)的一個(gè)重要原因。和相對(duì)應(yīng)的化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層相比，PVD涂層更薄，粘著力更佳。除了更薄以外，它們的沉積溫度也要低很多。所以在車削和銑削刀具中，更多使用鋒利的切削刃和大的正前角。
雖然氮化鈦(TiN)占到所有涂層刀具的80%，但氮鋁化鈦(TiAlN)作為針對(duì)高速精加工的最佳PVD涂層出現(xiàn)了。在連續(xù)高溫切削（如高速 車削）時(shí)，TiAlN超過(guò)TiN性能的3倍。在干銑削和小直徑深孔鉆削時(shí)，由于切削液很難滲透，熱應(yīng)力很高，TiAlN也比TiN勝出很多。
在相同切削溫度下，TiAlN比TiN更硬，它是目前熱穩(wěn)定性和抗化學(xué)磨損能力最好的PVD涂層。其硬度高達(dá)Hv3500，而且工作溫度高達(dá) 1470F°。雖然沒(méi)有人知道為什么會(huì)如此，但是科學(xué)家猜想，這些特性來(lái)自一種當(dāng)某些高溫下涂層表面氧化時(shí)在切屑-刀具接觸面形成的非晶質(zhì)氧化鋁膜。
應(yīng)用更薄的多層PVD涂層使其更適合于干切削的研究正在進(jìn)行之中。這種沉積工藝建立一種由數(shù)百層僅幾納米厚的涂層構(gòu)成。相反，傳統(tǒng)PVD工藝由幾層微米級(jí)的涂層沉積而成。
盡管對(duì)PVD涂層有著強(qiáng)烈的興趣，與之相對(duì)應(yīng)的CVD涂層對(duì)于大多數(shù)黑色金屬工件材料來(lái)說(shuō)一直很受歡迎。CVD工藝很高的沉積溫度有助于粘著并 且允許基體生成強(qiáng)化刃口和幫助基體抵抗變形的富鈷區(qū)。由于它們比PVD涂層更厚，因此需要對(duì)切削刃更重的鈍化來(lái)防止像墻角厚層涂料的剝落那樣的開裂。這種 設(shè)計(jì)可提高耐磨性，且能用超過(guò)0.076mm/r～0.89mm/r的進(jìn)給量進(jìn)行加工。 CVD也是唯一使用已知最佳抗熱和氧化磨損的氧化鋁涂層沉積工藝。氧化鋁導(dǎo)熱差，因此隔離切屑形成過(guò)程中產(chǎn)生的熱量并迫使熱量流入切屑。使得它成為硬質(zhì)合金里最適合干加工的優(yōu)異的CVD涂層。在高速下它保護(hù)基體，是抗磨料磨損和月牙洼磨損的最佳涂層。
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