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干切削加工刀具及其设计
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 合肥工业大学机械系 刘志峰 点击:
1.概述
随着环境保护法律法规越来越严格，国外在汽车以及中小型制造业中，干切削的应用越来越广泛，目前在西欧已有近一半企业采用了干式切削加工，德国企业尤为普遍。日本的《生产设备市场》杂志选出的1997年日本工厂自动化行业的国内十大新闻中就包括“保护环境的加工技术具体化”。由此可见：干切削加工技术将成为未来加工技术的发展方向之一。
干切削并不是简单地取消就能实现，有意义且经济可行的干切削加工要求仔细分析特定的边界条件和掌握干切削加工的复杂因素，并为干切削工艺系统的设计提供所需的技术数据。干切削加工工作条件恶劣，寿命缩短。因此，须合理选择刀具材料及涂层，设计合理的刀具几何参数。本文分析干切削加工的特点，提出了干切削对刀具的具体要求，讨论了干切削刀具的设计要点。
2.干切削加工对刀具的要求
干切削加工就是要在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同或相近的切削条件。因此，对刀具提出了更高的要求。
刀具应具有优异的耐高温性能
目前的刀具材料，如新性能硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等有足够的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。此外，最有效的方法就是对刀具进行涂层。涂层在切削过程中的作用如同在刀具与切屑之间增加了一道力和热的隔离层，可阻止将热量传递到刀具基体，因而能保证刀具切削刃锋利，使刀头硬度不会很快下降，可大大提高其耐高温性能。生产实践证明，尽管在干切削中还不能将切削区产生的热量完全随切屑排出，但只要合理选择刀具几何形状、切削参数，将能使绝大部分切削热随切屑排出，取得良好的加工效果。
切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小
干切削加工时，在切削区产生的高温产生化学不稳定性、刀具与切屑之间的摩擦增大、排屑速度减慢，极易产生积屑瘤，加剧刀具磨损。因此，须减小切屑和刀具之间的摩擦系数，最有效的方法就是进行刀具表面涂层，并设计排屑良好的刀具结构。如大螺旋角TiAlN涂层就是具有这种性能的干切削刀具。
刀具的结构要能快速排屑
干切削加工中，为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具能快速排出切屑，使传入工件和刀具的热量大大减少。
刀具应有更高的强度和耐冲击韧性
选择适宜于干切削的刀具材料，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，也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层，如TiAlN涂层、TiCN涂层、TiAlN+MoS2涂层、类金刚石DLC（Diamond-Like-Carbon)涂层等。金刚石和CBN可用于干切铸铁、过共晶铝合金、各种钢和钛合金等。
3.干切削刀具设计要点及应用
3.1干车(铣)刀具设计要点
干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中刀具与切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角。但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配合以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，使刀尖和刃口有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，减缓冲击和月牙洼扩展，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的强度。此外，配合大的刀尖前角和刀尖后角，可使刀具刃口楔角增大，减少刀具与已加工表面之间的接触长度，有效降低后刀面的磨损和破损几率。
采用如图1所示的几何形状刀片，可大大减小刀具与切屑之间的接触面积，使切屑带走大量热量。图2为干切削和普通车、铣的加工过程示意图。由图可见，当切屑流过普通刀片前刀面时，由于接触面积大，传入刀具的热量多，从而产生月牙洼磨损，降低刀具寿命；而采用图1所示的刀片，刀具前刀面上有加强棱，刀具与切屑的接触面积也大大减小，绝大部分热量被切屑带走，切削温度可比普通刀片降低约400℃，同时也增大了剪切角，使刀具寿命显著提高，可允许采用更高的切削速度，提高了生产效率，若保持普通的切削速度，则刀具寿命可提高3～4倍。
对CBN刀具，倒棱太大，加工淬硬钢时，在刀具与工件接触处产生高温使刃口很快磨损。因此，一般不采用大倒棱，刃口可采用?a href='http://www.anystandards.com/special/pump.html' target='_blank'>泵婊虻乖布案呵敖牵?】赡艽蟮挠嗥?恰＝ㄒ槿≈捣段???15°～25°)×0.25mm的T型倒棱，再进行0.01～0.03mm的研磨。
3.2干式螺纹加工刀具设计要点
目前，在用丝锥攻丝时，以采用含有机氯化物抗极压的乳化液效果最好。但有机氯化物对环境污染很大。德国Emuge螺纹刀具厂为减少环境污染，研制开发了生态有利丝锥，它可在较广范围的材料上攻丝而无须切削液。为了完成干式攻丝，在丝锥参数设计时必须考虑：
有小的摩擦阻力，以获得尺寸准确和表面粗糙度值小的螺纹；
槽型设计应使切屑易于卷曲，并自由离开螺孔；
对丝锥表面进行涂层处理，以获得理想的表面状态，减小切削应力，保护丝锥。
这种丝锥的尺寸范围有两种，即M5～M10的加强柄尺寸系列和M12～M20的尺寸系列。
干切削加工钢件螺纹的丝锥其槽型通常为螺旋槽，加工通孔螺纹和盲孔时的螺旋角大小不同。如加工盲孔螺纹时，往往采用35°的大螺旋角；当孔深大于2倍丝锥直径时，可采用小螺旋角，通常5°，此时丝锥切削锥部长度为C/2～3牙。而干切削加工铸铁螺纹时，无论是通孔还是盲孔，丝锥槽型均为直槽，其切削锥部长度为C/2～3牙。对于小直径丝锥，为了提高强度和刚度，其槽型也可设计成特殊形状，如无槽挤压丝锥。无槽挤压丝锥用于加工小直径螺纹或塑性较大材料上的螺纹是非常有效的。干切削加工丝锥通常均需进行涂层处理，常用的涂层有TiN或TiCN。
4.结语
刀具干切削加工一方面要选择合理的刀具材料并进行适宜的表面涂层；另一方面须具有合理的刀具结构参数。根据国外成功应用实例并结合笔者的研究表明：只要条件选择适当，在我国现有技术条件下，它的干切削加工是可以实现的。
干切削加工是一种理想的绿色制造工艺方法。虽然目前干切削加工的应用范围不是很广泛，但对它的研究却已成了目前的热点之一。国外的应用研究比较广泛，主要是迫于有关法律法规的严格要求和对干切削加工前景的看好，某些成功应用示范，推动了干切削加工技术的发展。国内对干切削加工目前尚有不同看法，但从发展的角度看，干切削的应用是必然的趋势。
随着环境保护法律法规越来越严格，国外在汽车以及中小型制造业中，干切削的应用越来越广泛，目前在西欧已有近一半企业采用了干式切削加工，德国企业尤为普遍。日本的《生产设备市场》杂志选出的1997年日本工厂自动化行业的国内十大新闻中就包括“保护环境的加工技术具体化”。由此可见：干切削加工技术将成为未来加工技术的发展方向之一。
干切削并不是简单地取消就能实现，有意义且经济可行的干切削加工要求仔细分析特定的边界条件和掌握干切削加工的复杂因素，并为干切削工艺系统的设计提供所需的技术数据。干切削加工工作条件恶劣，寿命缩短。因此，须合理选择刀具材料及涂层，设计合理的刀具几何参数。本文分析干切削加工的特点，提出了干切削对刀具的具体要求，讨论了干切削刀具的设计要点。
2.干切削加工对刀具的要求
干切削加工就是要在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同或相近的切削条件。因此，对刀具提出了更高的要求。
刀具应具有优异的耐高温性能
目前的刀具材料，如新性能硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等有足够的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。此外，最有效的方法就是对刀具进行涂层。涂层在切削过程中的作用如同在刀具与切屑之间增加了一道力和热的隔离层，可阻止将热量传递到刀具基体，因而能保证刀具切削刃锋利，使刀头硬度不会很快下降，可大大提高其耐高温性能。生产实践证明，尽管在干切削中还不能将切削区产生的热量完全随切屑排出，但只要合理选择刀具几何形状、切削参数，将能使绝大部分切削热随切屑排出，取得良好的加工效果。
切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小
干切削加工时，在切削区产生的高温产生化学不稳定性、刀具与切屑之间的摩擦增大、排屑速度减慢，极易产生积屑瘤，加剧刀具磨损。因此，须减小切屑和刀具之间的摩擦系数，最有效的方法就是进行刀具表面涂层，并设计排屑良好的刀具结构。如大螺旋角TiAlN涂层就是具有这种性能的干切削刀具。
刀具的结构要能快速排屑
干切削加工中，为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具能快速排出切屑，使传入工件和刀具的热量大大减少。
刀具应有更高的强度和耐冲击韧性
选择适宜于干切削的刀具材料，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，也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层，如TiAlN涂层、TiCN涂层、TiAlN+MoS2涂层、类金刚石DLC（Diamond-Like-Carbon)涂层等。金刚石和CBN可用于干切铸铁、过共晶铝合金、各种钢和钛合金等。
3.干切削刀具设计要点及应用
3.1干车(铣)刀具设计要点
干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中刀具与切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角。但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配合以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，使刀尖和刃口有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，减缓冲击和月牙洼扩展，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的强度。此外，配合大的刀尖前角和刀尖后角，可使刀具刃口楔角增大，减少刀具与已加工表面之间的接触长度，有效降低后刀面的磨损和破损几率。
采用如图1所示的几何形状刀片，可大大减小刀具与切屑之间的接触面积，使切屑带走大量热量。图2为干切削和普通车、铣的加工过程示意图。由图可见，当切屑流过普通刀片前刀面时，由于接触面积大，传入刀具的热量多，从而产生月牙洼磨损，降低刀具寿命；而采用图1所示的刀片，刀具前刀面上有加强棱，刀具与切屑的接触面积也大大减小，绝大部分热量被切屑带走，切削温度可比普通刀片降低约400℃，同时也增大了剪切角，使刀具寿命显著提高，可允许采用更高的切削速度，提高了生产效率，若保持普通的切削速度，则刀具寿命可提高3～4倍。
图1干片的几何形状
图2干切削和普通切削的加工过程比较
对CBN刀具，倒棱太大，加工淬硬钢时，在刀具与工件接触处产生高温使刃口很快磨损。因此，一般不采用大倒棱，刃口可采用?a href='http://www.anystandards.com/special/pump.html' target='_blank'>泵婊虻乖布案呵敖牵?】赡艽蟮挠嗥?恰＝ㄒ槿≈捣段???15°～25°)×0.25mm的T型倒棱，再进行0.01～0.03mm的研磨。
3.2干式螺纹加工刀具设计要点
目前，在用丝锥攻丝时，以采用含有机氯化物抗极压的乳化液效果最好。但有机氯化物对环境污染很大。德国Emuge螺纹刀具厂为减少环境污染，研制开发了生态有利丝锥，它可在较广范围的材料上攻丝而无须切削液。为了完成干式攻丝，在丝锥参数设计时必须考虑：
有小的摩擦阻力，以获得尺寸准确和表面粗糙度值小的螺纹；
槽型设计应使切屑易于卷曲，并自由离开螺孔；
对丝锥表面进行涂层处理，以获得理想的表面状态，减小切削应力，保护丝锥。
这种丝锥的尺寸范围有两种，即M5～M10的加强柄尺寸系列和M12～M20的尺寸系列。
干切削加工钢件螺纹的丝锥其槽型通常为螺旋槽，加工通孔螺纹和盲孔时的螺旋角大小不同。如加工盲孔螺纹时，往往采用35°的大螺旋角；当孔深大于2倍丝锥直径时，可采用小螺旋角，通常5°，此时丝锥切削锥部长度为C/2～3牙。而干切削加工铸铁螺纹时，无论是通孔还是盲孔，丝锥槽型均为直槽，其切削锥部长度为C/2～3牙。对于小直径丝锥，为了提高强度和刚度，其槽型也可设计成特殊形状，如无槽挤压丝锥。无槽挤压丝锥用于加工小直径螺纹或塑性较大材料上的螺纹是非常有效的。干切削加工丝锥通常均需进行涂层处理，常用的涂层有TiN或TiCN。
图3干式与湿式加工比较
加工条件：M6×1—G7P，通孔螺纹，工件材料：锌钢板，
螺纹长度3.2mm，底孔直径：f5.55mm，切削速度：15m/min
试验条件：M5×0.8丝锥，工件材料：纯铝Ly-2，螺纹孔形状：盲孔，
螺纹长11mm，底孔直径：4.2mm(切削)，4.5mm(挤压)
切削速度：15m/min(切削)，10m/min(挤压)，：AG—32
4.结语
刀具干切削加工一方面要选择合理的刀具材料并进行适宜的表面涂层；另一方面须具有合理的刀具结构参数。根据国外成功应用实例并结合笔者的研究表明：只要条件选择适当，在我国现有技术条件下，它的干切削加工是可以实现的。
干切削加工是一种理想的绿色制造工艺方法。虽然目前干切削加工的应用范围不是很广泛，但对它的研究却已成了目前的热点之一。国外的应用研究比较广泛，主要是迫于有关法律法规的严格要求和对干切削加工前景的看好，某些成功应用示范，推动了干切削加工技术的发展。国内对干切削加工目前尚有不同看法，但从发展的角度看，干切削的应用是必然的趋势。
