干切削的優(yōu)勢與應(yīng)用(一)
僅僅20年前，切削液還是比較便宜的，且占多數(shù)加工過程的比重小于3%。所以很少有機(jī)械加工廠對它們關(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 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)推薦通過一個(gè)最大值到0.5mg/m3 和作用水平到0.25mg/m3的法令，來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到幾十萬的資金來維護(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、碎屑和用過的切削液的處理，來推遲它們的處理。其結(jié)果是，很多機(jī)加工企業(yè)正在就通過干切削來避免費(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維 持競爭力。很多從濕式加工轉(zhuǎn)變到干加工的可見成本也很高。但如今都不成為問題。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)。
有害無益的切削液
更多采用干切削的最大障礙之一是切削液對于取得較好光潔度和更長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。
這種似乎與直覺相反的趨勢原因在于：切削區(qū)溫度變得非常高，通常超過1000℃，尤其是在高速切削和硬材料切削時(shí)。舉例來說，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，對那里幾乎沒有冷卻作用。
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，對于刀具壽命來說，干車削通常更可取。
另一方面，在鉆削時(shí)，為了提供潤滑和把切屑從孔里沖出來，切削液通常是必須的。沒有切削液，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。切削液通過潤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)增加切削液的潤滑效果，但是，降低切削力的涂層最可能的 趨勢是把摩擦降到最低。
因?yàn)檫�沒有用于預(yù)測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。潤滑液通常針對低速加工、難加工材料和對表面光潔度有要 求的加工場合，而冷卻能力強(qiáng)的切削液會(huì)提高高速加工、易切削材料、簡單加工、積屑瘤問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。在越來越多的加工中，切削液簡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。它們通過抑制從切削區(qū)到刀片或刀具的熱傳遞來控制溫度波動(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和加熱過程中引起應(yīng)力更低，并且不易破裂。對于斷續(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°。雖然沒有人知道為什么會(huì)如此，但是科學(xué)家猜想，這些特性來自一種當(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PVD涂層有著強(qiáng)烈的興趣，與之相對應(yīng)的CVD涂層對于大多數(shù)黑色金屬工件材料來說一直很受歡迎。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，因此需要對切削刃更重的鈍化來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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