高速干切削技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

高速切削(HSC)加工作為一種先進(jìn)的切削技術(shù)，自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)得到了日益廣泛的應(yīng)用。高速加工采用遠(yuǎn)高于常規(guī)加工的切削速度和進(jìn)給速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時(shí)，同時(shí)還可獲得很高的加工精度。隨著高速主軸技術(shù)的發(fā)展，與其配套的新型刀具不斷出現(xiàn)，同時(shí)對(duì)高速加工工藝參數(shù)的優(yōu)化研究也在不斷深人，使得高速切削技術(shù)的理論研究和應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

      高速加工的主要優(yōu)點(diǎn)有:1、切削力降低03%左右，特別適合剛性差的零件，2、由于加工時(shí)對(duì)刀具和工件進(jìn)行了冷卻潤(rùn)滑，減少了切削熱對(duì)工件的影響，特別適合加工易熱變形的工件;3、激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)床和工藝系統(tǒng)的固有頻率，加工平穩(wěn)，振動(dòng)小，加工表面質(zhì)量好4;、能極大地提高生產(chǎn)效率。但是，高速切削采用的高壓大流量冷卻方式會(huì)增加環(huán)境污染、提高生產(chǎn)成本、減少刀具的耐用度、加大機(jī)床腐蝕等一系列問(wèn)題。

      為了解決上述問(wèn)題，目前采用的方法一種是改變切削液的使用參數(shù)和用量，研制新型的無(wú)污染的綠色切削液;另一種是在切削過(guò)程中停止使用切削液，采用干切削，它能從根本上徹底解決切削液帶來(lái)的問(wèn)題。干切削技術(shù)是上世紀(jì)九十年代為適應(yīng)全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)綠色切削加工技術(shù)，目前歐美、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視干切削的研究，干切削技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到了生產(chǎn)領(lǐng)域，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

      高速切削因具有降低切削力，工件熱變形小等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)干切削提供了有利條件，高速干切削的目標(biāo)不僅要限制或停止使用切削液，而且要保證高的加工效率和加工質(zhì)量。但在高速干切削中，因缺乏切削液的冷卻潤(rùn)滑和排屑作用，會(huì)導(dǎo)致切削區(qū)刀具與工件的摩擦加劇，切削力增大，切削溫度上升，切削振動(dòng)增強(qiáng)以及排屑不暢等情況，會(huì)影響機(jī)床加工性能和刀具使用壽命，降低加工質(zhì)量。因此，需要從刀具、機(jī)床和輔助工藝等方面來(lái)進(jìn)行研究并優(yōu)化，使高速干切削技術(shù)能得到更廣泛的應(yīng)用。

      1高速干切削的刀具技術(shù)

      高速干切削的刀具要承受比濕切削更高的溫度，刀具與切屑和刀具與工件接觸面上的摩擦系數(shù)也要盡可能的小，而且還要求刀具有利于斷屑、排屑和散熱，這就需要從刀具材料、刀具涂層以及刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等幾個(gè)方面來(lái)解決。

      1.1刀具材料

      刀具材料的迅速發(fā)展是高速干切削得以實(shí)施的工藝基礎(chǔ)。高速干切削時(shí)要求刀具材料與被加工材料的化學(xué)親和力要小，必須具有良好的耐熱性，極高的紅硬性和熱韌性。目前適用于干式加工的刀具材料有超細(xì)高的切削溫度，具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌度，適用于制作干切削的鉆頭和銑刀。PCD(聚晶金剛石)和CVD金剛石涂層刀片有很高的硬度和熱導(dǎo)率，適合高速干切削有色金屬(如銅合金，鋁合金)以及欽合金和耐磨的高性能復(fù)合材料，但不能加工黑色金屬。CBN(立方氮化硼)的硬度和耐磨性僅次于金剛石，有優(yōu)良的紅硬性、化學(xué)穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù)，是高速干切削HRC50以上淬硬鋼和冷硬鑄鐵等黑色金屬的理想刀具材料。

      金屬陶瓷的硬度和沖擊性好，熱硬性差，故多用于精加工和半精加工。陶瓷具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，是相對(duì)廉價(jià)的干切削刀具材料，但其強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能差，適用于灰鑄鐵和鋼的高速干切削。

      1.2刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

      干切削刀具的失效形式主要是月牙洼磨損，所以一般都采用較大的前角以減少切屑與前刀面的接觸面積。為彌補(bǔ)大前角對(duì)刃口強(qiáng)度的削弱，常配以加強(qiáng)刃甚至前刀面上帶有加強(qiáng)筋。較大的正前角、鋒利而強(qiáng)有力的切削刃有利于斷屑�？傊�，干切削刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮斷屑和排屑的問(wèn)題。對(duì)韌性材料的加工來(lái)說(shuō)，斷屑非常關(guān)鍵，目前車刀三維曲面斷屑槽方面的設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可針對(duì)不同的工件材料和切削用量很快設(shè)計(jì)出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，并能大大提高切屑折斷能力和對(duì)切屑流動(dòng)方向的控制能力。

      此外，為了加速刀具的冷卻以降低切削溫度，也可采用熱管式刀具或液氮冷卻刀具。如圖1，用液氮冷卻刀具的方法，在車刀的前刀面倒裝了一個(gè)金屬帽狀物，其內(nèi)腔與刀片的表面共同組成一個(gè)封閉的空間。帽狀物上有液氮的人口和出口。在干切削過(guò)程中，液氮在封閉的空間內(nèi)不斷地流動(dòng)，吸收刀片上的切削熱，使刀具不產(chǎn)生過(guò)高的溫升，始終保持良好的切削性能，順利實(shí)現(xiàn)干切削。

   1.3刀具涂層

      采用高速干切削，若僅僅使用目前已有的熱穩(wěn)定性好的刀具材料和優(yōu)化刀具幾何形狀，仍不能達(dá)到很好的效果。因此，采用在刀面上涂覆隔熱性好的硬涂層和具有固體潤(rùn)滑性能的軟涂層，使刀具能承受更高的切削溫度。涂層的作用一是提供了低摩擦層，減少了刀具與工件表面之間的摩擦和粘結(jié)，相當(dāng)于切削液的潤(rùn)滑作用;二是在刀具和切削之間起到隔熱作用，阻止切削熱向刀具傳播，相當(dāng)于切削液的冷卻作用。

      涂層材料可分為軟涂層和硬涂層。基于MoS2和WC/C的軟涂層主要用于對(duì)涂層的滑動(dòng)性能要求非常高的場(chǎng)合。硬涂層主要有TiN、TiCN、TiALN等，TiALN具有很好的耐熱性和耐高溫性，硬度高達(dá)HV3500，工作溫度高達(dá)79℃，而且因?yàn)樘砑恿薃L，使刀具的抗氧化性能大大提高，是高速加工和干切削最常用的材料。ITN在干切削時(shí)可作為一種"通用涂層"，主要用于干攻絲(鑄鐵絲錐除外)，TiN涂層用在整體硬質(zhì)合金銑刀上效果很好。

      在高速干切削刀具中常常使用多層復(fù)合涂層，把硬涂層和軟涂層結(jié)合在一起，即在一道涂覆工序中采用兩種物理氣相沉積工藝，先產(chǎn)生硬涂層TiALN，然后再在其上面采用濺射法產(chǎn)生WC/C軟涂層，可以有效提高刀具的壽命。目前新的涂層技術(shù)如高硬度、高熱穩(wěn)定性的金剛石薄膜涂層，CBN薄膜涂層，由多種涂層材料不同組合構(gòu)成的納米級(jí)涂層等，均得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其所具有的優(yōu)異抗磨損及自潤(rùn)滑性能，使其更能適用于多種材料的高速干切削。