幹切削是機加工的發展方向
就在二十年前，切削液曾是非常便宜，在大多數加工過程的成本中，其所占比例不到3%。以至沒有誰會(hui) 對此多加注意。可是，現在不一樣了，切削液在車間生產(chan) 成本中所占比例上升為(wei) 15%，這就不得不引起生產(chan) 經營者的極大關(guan) 注。
特別是那些含油的切削液已經成為(wei) 一項很大的支出。更重要的是它的排放汙染環境，國外環保部門要監控這些混合製劑的處理。而且，許多國家和地區也把它們(men) 劃歸為(wei) 危險廢物，如果其中含有油和某些合金，還要采取更為(wei) 嚴(yan) 厲的控製措施。再有，許多高速加工工序加了切削液會(hui) 產(chan) 生煙霧，環保部門也限製切削液煙霧釋放量要在允許範圍內(nei) ，職業(ye) 安全和職工健康管理部門為(wei) 了降低切削液煙霧排放允許值，正在考慮一項谘詢委員會(hui) 的建議。其中包括製定比較高的切削液的價(jia) 格政策。因此，越來越多的廠家開始采用幹切，以避免這筆費用和與(yu) 切削液處理相關(guan) 連的麻煩。
以前，金屬加工行業(ye) 使用切削液已形成"習(xi) 慣"，所以推廣幹式切削的主要障礙是這種習(xi) 慣勢力，他們(men) 認為(wei) 切削液是取得良好加工表麵和使用壽命所必須的。也有許多人認為(wei) 變濕切為(wei) 幹切，費用可能會(hui) 更高。其實兩(liang) 種看法都不對。對於(yu) 多數金切件，幹切應該是"標準加工環境"。在高速下幹車、幹銑淬硬材料不僅(jin) 可能，而且更經濟。關(guan) 鍵是要知道如何正確地選擇刀、機床和切削方法。盡管切削液在有些場合還是需要的，可是研究表明：由於(yu) 刀的材料有了很大發展，情況也在不斷的變化。新的硬質合號特別是那些塗層牌號，在高速、高溫的情況下不用切削液，切削效率更高。事實上，對於(yu) 間斷切削，切削區溫度越高，越不適合用切削液。
先來看看銑削，假定切削液能克服高速旋轉的銑刀引起的離心力，那它在到達切削區之前也就已經蒸發了，它的冷卻效果是很小的甚至沒有。而應用切削液會(hui) 產(chan) 生溫度的激烈變化，銑刀刀片自工件切出時冷卻，再切入時溫度又上升。盡管在幹切削時也有類似的加熱和冷卻循環產(chan) 生，但是加了切削液這種溫度變化要大得多。溫度急劇變化在刀片中產(chan) 生應力，會(hui) 導致裂紋的產(chan) 生。
類似的情況在車削中也會(hui) 出現，例如用非塗層硬質合金，在速度高於(yu) 130m/min時，車削中碳鋼，刀尖切入工件不到40秒，然後暴露在冷卻液中，就能很明顯地表現出熱衝(chong) 擊的損害。這種熱衝(chong) 擊加快了月牙窪磨損和後麵磨損，從(cong) 而大大地縮短了刀壽命。對於(yu) 大多數車削加工，幹切通常能延長刀片壽命。
然而，對於(yu) 鑽削則是另一種情況。鑽削時切削液是必要的，因為(wei) 它提供了潤滑和從(cong) 孔中衝(chong) 出切屑。沒有切削液，切屑可能粘在孔內(nei) ，並且表麵粗糙度平均值(Ra)可能達到濕鑽時的兩(liang) 倍。在這種情況下，切屑液也能減少所需的機床扭矩，因為(wei) 鑽頭邊緣上與(yu) 孔壁接觸的點得到潤滑。盡管塗層鑽頭也能夠起到類似切削液的潤滑效果，塗層還能減少切削力並能使磨擦阻力趨向zui小。從(cong) 總的效果來看，目前還不能*代替切削液。用哪種型號的切削液要根據具體(ti) 情況，潤滑性切削液用於(yu) 低速加工難加工材料以及表麵粗糙度要求較高時比較好。而冷卻能力較高的切削液，可以增強易切削材料高速加工性能，可以用於(yu) 有產(chan) 生積屑瘤傾(qing) 向或有嚴(yan) 格的尺寸公差的情況下。
可是許多時候用了切削液取得了某些效果，但它需要很高的額外費用，也帶來非常有害的環境汙染，這是不值得的。應該看到，現代的切削工具能承受更高的切削熱，具備高速切削所需的性能。必要時可以用壓縮空氣從(cong) 切削區吹走熱的切屑，以取代切削液。
在幹式切削中刀片材料的選用
1高速幹式切削的塗層是氮鋁鈦
現今，切削液通常不再必要的重要原因是有了塗層。它們(men) 通過抑製從(cong) 切削區到刀片的熱傳(chuan) 導來減緩溫度的衝(chong) 擊。塗層的作用就象一層熱屏障，因為(wei) 它有比刀的基體(ti) 和工件材料低得多的熱傳(chuan) 導係數。因此，這些刀片吸收的熱量較少，能承受較高的切削溫度。無論是車削還是銑削，塗層刀片都允許采用更的切削參數，而不會(hui) 降低刀片壽命。
塗層厚度在2到18微米之間，它在刀片性能方麵起著重要的作用。較薄的塗層比厚的塗層在衝(chong) 擊切削時，經受溫度變化的性能要好，這是因為(wei) 較薄的塗層應力較小，不易產(chan) 生裂紋。在快速冷卻和加熱時，厚的塗層就象玻璃杯極快地加熱冷卻一樣，容易碎掉。用薄塗層刀片進行幹式切削可以延長刀壽命高達40%，這就是物理塗層常用來塗圓形刀片和銑刀片的原因。PVD塗層往往塗得比化學塗層要薄，與(yu) 輪廓結合得較牢固。另外，PVD塗層可以在低得多的溫度下沉積在硬質合金上，因此，它們(men) 更多地應用於(yu) 非常鋒利的刃口及大的正前角銑刀、車刀。
雖然塗層材料氮化鈦，在所有塗層刀中占有80%。然而在高速幹式切削的情況下，的PVD塗層是氮鋁鈦(TiAlN)，它的性能在高溫連續切削時，優(you) 於(yu) 氮化鈦四倍，例如用於(yu) 高速車削。TiAlN塗層對於(yu) 處在較高的熱應力條件下的刀，也勝過其它塗層。象幹式銑削及那些小直徑孔的深孔鑽削切削液難以到達的部位。
TiAlN在切削溫度下比TiN更硬，且具有熱穩定性，PVD塗層利用了它的抗化學磨損性能，它的硬度高達維氏3500度，它的工作溫度高達1470°F。材料科學家推測：這些性質可歸功於(yu) 非結晶的氧化鋁薄膜，它是當高溫時塗層表麵中的一些鋁氧化後，在切屑/刀片界麵上形成的。
這項研究特意選用超薄多層PVD塗層，這種沉積過程產(chan) 生的塗層由上百層組成，每一層僅(jin) 有幾個(ge) 納米厚。而一般的PVD塗層的沉積物隻有幾層微米級厚度的塗層。
盡管PVD塗層有很多優(you) 點，但是對於(yu) 加工大多數黑色金屬，CVD塗層仍然是更受歡迎。在CVD加工過程中，沉積溫度比較高有助於(yu) 提高結合強度，並且允許基體(ti) 中有較高的鈷含量，這樣刀刃的韌性好，提高抗塑性變形的能力。由於(yu) CVD塗層比PVD塗層厚，就要求在它們(men) 的刃口處進行鈍化，以防止塗層剝落，同時也能有助於(yu) 提高刀片的抗磨損性能。允許采用進給量可達0.035英寸/轉。
CVD是在刀片上沉積一層有用的氧化鋁的過程，這是人們(men) 熟知的zui耐熱和抗氧化的塗層。氧化鋁是不良導體(ti) ，它把刀片與(yu) 切削變形而生成的熱量隔開，促使熱量流到切屑中。這是一種*的CVD塗層材料，主要用於(yu) 在幹切時使用的硬質合金車刀。它在高速切削時還能保護基體(ti) ，是的抗磨料磨損和月牙窪磨損的塗層。
塗層刀片有較長的壽命，它在幹式銑削比濕式銑削更穩定。更高切削速度會(hui) 使切削溫度進一步升高。例如，在14000轉/分和1575英寸/分的切削速度下幹式切削加工鑄鐵，能把刀片前麵的切削區加熱到600°～700℃。其金屬切除率就類似於(yu) 銑削鋁，這時在鑄鐵上產(chan) 生的溫度就高於(yu) 常規刀片。
2金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD的選用
切削速度越高就要求刀片材料更耐磨，還要求具有較高的熱硬性。金屬陶瓷、立方氮化硼以及兩(liang) 種適合精細加工需要的陶瓷--氧化鋁和氮化矽(現代術語"陶瓷"包含氧化鋁和氮化矽，而不象過去單指氧化鋁。)，它們(men) 的應用日漸普及。聚晶金剛石是另一種幹式切削情況下使用的刀片材料。在所有這些材料中，它們(men) 都有較高的紅硬性和耐磨性，需要權衡考慮的是脆性較大。
(1)金屬陶瓷
是一種先進的硬質合金。金屬陶瓷比常規硬質合金能承受更高的切削溫度，但是缺乏硬質合金的耐衝(chong) 擊性、在中型到重型加工時的韌性、以及在低速大進給時的強度。金屬陶瓷在小的和不變的負荷時，也象常規硬質合金那樣，有差不多的刀刃強度。但是它在高切削速度下的耐高溫和耐磨性能更好，持續時間更長，加工的工件表麵更光潔。當用於(yu) 加工軟的和粘性的材料時，它也有較好的抗積屑瘤性能，表麵質量很好。
好的高溫硬度來自配料時加入的鈦的化合物。金屬陶瓷是硬質合金的一種型式，它含有堅硬的鈦基化合物(碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦)，粘結劑是鎳或鎳鉬。由於(yu) 金屬型粘結劑的溫度局限性，典型的金屬陶瓷牌號，在加工的材料硬度超過HRC40時，不具備足夠高的熱硬性。
金屬陶瓷比起塗層和非塗層硬質合金，對斷裂和進給引起的壓力更加敏感。因此，它用於(yu) 高精度工件和表麵質量要求較高時。理想的加工工序是切削那些連續的表麵。
車削碳鋼時，進給量的上限通常是0.025英寸/轉。一般用途的銑削，可以在高的主軸速度、中等進給量的條件下進行。如果滿足這些條件，在大量生產(chan) 時金屬陶瓷能長時間地保持鋒利的切削刃。如果金屬陶瓷是在傳(chuan) 統的切削速度和進給量下使用，比起硬質合金刀能改善了刀片壽命和表麵質量，也能提高生產(chan) 率，對於(yu) 切削合金鋼時其提高幅度為(wei) 20%，對於(yu) 切削碳鋼、不鏽鋼和軟鐵時為(wei) 50%。
(2)陶瓷
陶瓷刀片類似於(yu) 金屬陶瓷，它比硬質合金有更高的化學穩定性，可在高的切削速度下進行加工並持續較長的時間。純氧化鋁可以耐非常高的溫度，但是它的強度和韌性很低，工作條件如果不好，容易破碎。
為(wei) 了減低陶瓷對破碎的敏感性，在企圖改善其韌性、提高耐衝(chong) 擊性能時，加入了氧化鋯或加入碳化鈦與(yu) 氮化鈦的混合物。盡管加入了這些添加劑，但是陶瓷的韌性比硬質合金還是低得多。
另一個(ge) 提高氧化鋁陶瓷韌性的方法是在材料中加入結晶紋理或碳化矽晶須，通過這些特殊的平均起來僅(jin) 有1納米直徑，20微米長很結實的晶須，相當程度地增加了陶瓷的韌性、強度和抗熱衝(chong) 擊性能。在組成上，晶須可高達30%。
象氧化鋁一樣，氮化矽比硬質合金有更高的熱硬性。它耐高溫與(yu) 機械衝(chong) 擊的性能也比較好。與(yu) 氧化鋁陶瓷相比它的缺點是在加工鋼時它的化學穩定性不很好。可是，用氮化矽陶瓷可在1450英尺/分或更高的速度下加工灰鑄鐵。
雖然使用陶瓷刀加工效率可以很高，但是應用必須正確。例如，陶瓷刀不能用於(yu) 加工鋁，而對灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬硬鋼和某些未淬硬鋼、耐熱合金則特別適合。可是對這些材料而言，應用得成功還有賴於(yu) 開始切削之前刃口外觀的準備、機器和裝備的穩定性和選用*的加工參數。
(3)CBN
CBN是一種非常硬的刀材料，通常用來加工硬度高於(yu) RC48的材料，它有*的高溫硬度--高達2000℃，盡管比硬質合金要脆得多，比陶瓷耐熱性和化學的穩定性要差，但是它比陶瓷刀有較高的衝(chong) 擊強度和抗破碎性能。對於(yu) 切削淬硬金屬時，機床剛性可以稍差。此外，一些特製的CBN刀能抵禦高功率粗加工的切屑負荷，間斷切削的衝(chong) 擊以及精加工時的磨損和切削熱。
對於(yu) 要求嚴(yan) 格的零件，應對設備進行適當的調整，以提高機器和裝備的剛性。刃口倒鈍應足夠大以防止微觀剝落和使刀基體(ti) 上有一定厚度的CBN層，這就能使刀在高速、重負荷、劇烈的間斷負荷下工作。這些特點使CBN成為(wei) 粗加工淬硬鋼和珠光體(ti) 灰鑄鐵所選用的刀材料。
刀帶有一薄層CBN是比較脆弱的，但是它用於(yu) 加工淬硬的鐵合金又是比較好的刀材料。CBN具有低的導熱係數和高的壓縮強度，經受得了由於(yu) 高切削速度和負前角產(chan) 生的切削熱。在切削區內(nei) 由於(yu) 較高的溫度使工件材料軟化，有助於(yu) 切屑的形成。負的幾何角度穩定了切削刃，改善了壽命和允許在小於(yu) 0.010″的淺切深下進行加工。
在幹式車削淬硬工件的情況下，由於(yu) CBN刀可以加工出小於(yu) 16微英寸的表麵質量，並能控製±0.0005″的精度，因此常用它取代磨削工序。CBN刀很適合淬硬車削和高速銑削加工。而對於(yu) 這個(ge) 應用範圍，陶瓷和CBN是重疊的。因此，進行成本效益分析是非常必要的，以確定哪一種材料將提供的效果。
(4)PCD刀
聚晶金剛石作為(wei) zui硬的刀材料，它是zui耐磨的。它的硬度和耐磨性來自各金剛石晶體(ti) 間無一定方位的粘結，這種晶體(ti) 方位各異的排列抑製了裂紋的擴展。使用時，將PCD小片粘結到硬質合金刀片上，這可增加它的強度和抗衝(chong) 擊性能，其壽命是硬質合金的100倍。
然而，某些性能限製了它在很多加工工序的使用。其一是PCD對黑色金屬中鐵的親(qin) 和力，引起化學反應，這種材料隻能用於(yu) 加工非鐵零件。其二是PCD不能經受切削區超過600℃的高溫。因此，它不能切韌性、高延展性材料。
PCD特別適於(yu) 加工有色金屬，特別是對摩擦很厲害的高矽鋁合金。采用鋒利的切削刃和大正前角切削這些材料，使切削壓力和積屑瘤達到zui小。
刃口強化、幾何參數與(yu) 排屑
盡管近幾年物理的進步與(yu) 應用開發，用金屬陶瓷、陶瓷、CBN和PCD製造的刀仍然是比硬質合金要脆得多，不能經受太多的壓力，因此用這些材料製造的刀必須結合其特點進行設計，即對它加強支撐、分散壓力。
這一點很重要。例如，為(wei) 了要改變磨削力的方向，使力從(cong) 切削刃往裏向著刀體(ti) ，切削刃必須經過加工--刃口準備。有這樣三種刃口準備而且其大小還要適當：T型刃帶、強化、T型刃帶強化。
T型刃帶
就是一個(ge) 倒棱--在刃口上磨出的窄的平麵，以取代較脆弱而鋒利的刀刃。刀片設計者的一個(ge) 重要任務就是要找出zui小的平麵寬度和能賦予刀刃適當強度和壽命的角度；因為(wei) 大的寬度和加強刀片的角度無疑會(hui) 增切削力。
強化
就是圓整一下鋒利的刃口。雖然強化不象T型刃帶那們(men) 有棱有角，但是強化對用於(yu) 精加工的先進的刀片材料效果很好。這些強化刀應該用於(yu) 淺切深、低速進給、並保持切削壓力zui小。
T型刃帶強化
當強化用於(yu) 倒棱的前麵與(yu) 後麵相交處時，也能加強T型刃帶。在應用中，微小的剝落發生時(就象用陶瓷刀粗車鋼)，強化能分散這些點上的壓力，沒有使倒棱變大而加強了刃口。
設計者除了針對工件確定的刀刃口外，還必須優(you) 化刀的幾何角度和排除切屑能力。通過增加後角來減小切削力和對刀的壓力，也降低了切削區的溫度。要使正前角盡可能地大，這樣由於(yu) 較好的剪切作用能減少切削力。寬闊的容屑槽有助於(yu) 切屑的排除，尤其是對鑽削和螺紋加工。
另一個(ge) 使切削力降低的方法是在高速下切削。為(wei) 了提率，寧可在很高的主軸速度下，把大的進給量減小，而不用增加進給量的方式。此外，現在的銑刀比五年前要得多，銑床和車床的機械穩定性、剛性也更高了，因而排除了可能的振動。所有這些都有利於(yu) 脆的、較硬和耐磨的刀片材料的應用。
應用能抗高溫刀的另一個(ge) 有利因素是切屑形成有*的效率。例如切削鑄鐵，熱量使切削區的材料成為(wei) 可塑體(ti) ，這樣就降低了切削區工件材料的強度。其結果是比普通粗加工金屬切除率增加三倍。因為(wei) 進給速度很高，刀對金屬材料切除得非常快，以至大量的熱量停留在切屑中，沒有時間傳(chuan) 到工件和使它變形。盡管切削溫度很高，工件溫升卻很小，比起在常規用量下切削所得到的工件精度也要高。
用低軸向力精加工也能使工件、夾具、機床靜變形zui小化。這樣的工序要求利用粗齒銑刀，低進給和銑刀高轉速。由於(yu) 夾持工件所需夾緊力小，工裝夾具可以簡單。對於(yu) 棱形工件有較寬敞的銑刀通道。
幹式切削需要考慮的事項
采用幹式切削加工時，選定正確的機床和恰當的裝備是很重要的。因為(wei) 速度特別快，材料又常常較硬，幹式切削加工時切削溫度很高，機床必須剛性足、馬力大。
在加工中心上進行幹式切削之前，操作者應該盡量保持其工具伸出長度較短，主軸是處在剛度*的情況下，還要考慮機床的速度、額定功率。
談到車床工近淨成型(nearnetshape)的和淬硬的零件，刀的轉塔可以對著機床剛性強的方向進行加工，因為(wei) 這個(ge) 方向的長導軌能把切削力分散。設計得好的機床，能直接在短導軌上分散這些切削力，並且刀架由zui少的零件組成，卻能移動和支撐刀。在相對於(yu) 柔性更重視精度時，則應該考慮用螺栓將一組刀直接固定在橫拖板上避免回轉分度機構。
熱穩定性對精度是非常關(guan) 鍵的。一些製造商采用軟件提高了他們(men) 的加工中心的精度，這些軟件補償(chang) 了溫度的影響。然而，控製溫度應該從(cong) 有效地排除熱切屑開始，因此要排除密封的工作區內(nei) 部重要的熱源。
的機床設計，機床裏沒有那些能聚集切屑的窪坑和高台。用排屑螺旋與(yu) 傳(chuan) 送器盡快將切屑排出機床外，而不用切削液協助衝(chong) 走。如果排屑出了問題，用壓縮空氣取代液體(ti) 。
為(wei) 了保護滾珠絲(si) 杠、導軌，伸縮套管，防護罩、密封條和灰塵收集器還是需要的。如果需要一台幹切削的機床，可以把原來設計好的機床從(cong) 濕式切削操作轉變為(wei) 幹式切削操作，通常也是比較便宜。需要添加的灰塵收集器和空氣傳(chuan) 送係統，比濕式切削加工相應的油霧收集器和冷卻泵稍微貴些。
用幹式切削加工操作成本也是比較低的，因為(wei) 它避免了冷卻液的管理和處理費用，其次是壓縮空氣耗電比冷卻泵要少。因此，幹式切削的應用會(hui) 越來越廣泛。
