[转帖]干切削 虽然不是PRO/NC的内容,但是推荐大家看看

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干运转

      仅仅20年前，切削液是便宜的且占多数加工过程的比重少于3%。所以很少有机械加工厂对它们关注很多。在那时以后随着时间的推移发生了戏剧化的变化：如今的切削液费用估计达每年几十亿美圆且占生产成本高达15%。现在，机加工行业无时不刻都在为他们的切削液担忧。

      切削液，尤其是那些含油的，已成为巨大的负担。不管某种切削液有多安全和环保，政府法令仍将要求你从倾倒到池里的那一刻起进行特殊处理。即使你的当地政府允许你从桶中倾倒清洁的不含油的合成液到排水沟，一旦它同在机床里夹杂油和金属碎屑混合物它就变成一种受控的工业废料。不仅美国环境保护局管理这种混合物的处理，而且许多州和地方政府也已把它们作为有害废物进行分类并如果它们含油和某些合金强加严格控制。

      因为很多高速加工和切削液喷嘴产生细油雾或工人能呼吸到的气溶胶，政府机构还限制空气里切削油雾的允许量。提高机加工企业计划成本和责任更多，环境保护局已经计划更严格的针对控制这些空气里的微粒的标准。职业安全和健康管理局也正在考虑一个咨询委员会推荐通过一个最大值到0.5mg/m3和作用水平到0.25mg/m3的法令来限制较低的切削液气雾的允许暴露量。

      维护、记录存档和遵循现行和计划的规定所产生的成本正迫使切削液的价格迅速上涨。大型工厂支付从几万到几十万的资金来维护切削液和只要有可能就安装和使用合适的附件和油雾收集器以及切屑、碎屑和用过的切削液的处理来推迟它们的处理。其结果是很多机加工企业正在就通过干切削来避免费用和伴随切削液产生的副作用展开讨论。

      虽然大多数工厂可能承认有消灭切削液的愿望，但他们不能确定能做得到。他们相信要获得更高的速度和切削更硬的材料他们必须使用切削液来维持竞争力是必要的。很多从湿式加工转变到干加工的可见成本也是高的。如今都不成为问题。实际上，在很多加工中常规操作应该是干加工。再者，干车硬材料和高速干铣削不仅是可行的而且是有利可图的。其技巧是正确集成刀具、机床和切削技术。

      切削液有损害而没有帮助

      更多采用干切削最大的障碍之一是切削液对于取得较好光洁度和更长刀具寿命是必要的传统认识。虽然现实中对于许多应用仍然是必要的，但是研究表明有了现代切削刀具材料和当今更高的切削速度就不是这样的。先进的硬质合金材质等级，尤其是有涂层保护的，在高速高温下不使用切削液实际上切得更有效率。实际上在断续切削时切削区温度越高，切削液越变得不合适。

      这种似乎是跟直觉相反的趋势的原因在于切削区变得非常热，通常超过摄氏1000度，尤其是在高速切削和硬材料切削时。举例来说，假定切削液能克服铣刀高速旋转产生的离心力，切削液在到达切削区之前早已汽化并对那里几乎没有冷却作用。

      结果是有一个在当刀片切入切出时产生先天的温度波动更明显的区别。随着刀具的旋转当刀片切出时冷却，然后在切入时再一次被加热。虽然在干加工时也发生加热和冷却循环，但是当有切削液时温度波动更大。跟着发生的热冲击会在刀片上产生应力并会过早地破裂。

      相似的结果也在车削时发生。譬如当在切削速度高于130m/min时切削碳钢，暴露在冷却液里不涂层硬质合金刀片能承受显著的热冲击少于40秒。这种冲击通过轻微增加前刀面磨损和剧烈的后刀面磨损戏剧性地缩短刀具寿命。因为大多数生产车削少于40秒，对于刀具寿命来说干车通常是更可取的。

      另一方面，在钻削时为了提供润滑和把切屑从孔里冲出来切削液通常是必须的。没有切削液，切屑会堵在孔里，而且平均表面粗糙度Ra是湿式加工的两倍。切削液通过润滑边缘碰到孔壁的钻尖也能降低必要的马达扭矩。虽然涂层钻头在某种程度上会加倍切削液的润滑效果，但是降低切削力的涂层最可能的趋势是把摩擦降到最低。

        因为还没有用于预测切削液效果和性能的科学模型，是否采用干切削你必定取决于具体的案例。润滑液通常针对低速加工、难加工材料、难加工和表面光洁度有要求，而一个有高冷却能力的切削液会提高高速加工、易切材料、简单加工、积屑瘤问题和紧尺寸公差加工的表现。然而很多时候切削液提供的额外性能并不值得额外的开销。在越来越多的应用中，切削液简直是不必要的或彻头彻尾有害的因为现代切削刀具适合更高的温度而且压缩空气能从切削区域带走热切屑。

      涂层处理热量

      涂层是当今使切削液通常不需要的另一个原因。它们通过抑制从切削区到刀片或刀具的热传递来控制温度波动。涂层的作用象热障，因为它有比刀具基体和工件材料低很多的热导性。因此涂层刀片和刀具吸收较少的热量并能承受更高的切削温度，这意味着在车削和铣削不牺牲刀具寿命的前提下更高速的切削。

      厚度范围在2到18微米的涂层在刀具性能里扮演一个重要的角色。因为薄涂层比厚涂层在快速冷却和加热过程中引起更低的应力并且不易破裂，对于断续切削这个厚度带宽较薄的一端承受温度波动更佳。厚涂层经受相同的应力，当你加热或冷却太快时容易破裂。因此，用薄涂层刀片干加工通常延伸刀具寿命达40%。

      这是为什么圆刀片和铣刀片代表性地用物理气相沉积（PVD）的一个重要原因。和相对应的化学气相沉积（CVD）相比PVD涂层更薄，粘着力更佳。除了更薄，它们的沉积温度要低很多。所以在车削和铣削刀具发现更多使用锋利切削刃和大的正前角。

      虽然氮化钛（TiN）占所有涂层刀具的80%，氮铝化钛（TiAlN）作为针对高速精加工的最佳PVD涂层出现了。象高速车削那样的连续高温切削时它超过TiN性能的3倍。在象干铣和小直径深孔钻削由于切削液很难渗透等高热应力工况下它也胜出很多。

      在切削温度下TiAlN比TiN更硬，它是目前最热稳定和抗化学磨损的PVD涂层。其硬度高达维氏硬度3500，而且它的工作温度高达华氏1470度。虽然没有人知道为什么会如此，但是科学家猜想这些特性来自一种当某些高温下涂层表面氧化时在切屑-刀具接触面形成的非晶质的氧化铝膜。

      应用更薄的多层PVD涂层使其更适合于干加工的研究正在进行。这种沉积工艺建立一种由数百层仅几纳米厚的涂层构成。相反，传统PVD工艺由几层微米级的涂层沉积而成。

      尽管对PVD涂层有强烈的兴趣，与之相对应的CVD对于大多数黑色金属工件材料来说一直是受欢迎的。CVD工艺很高的沉积温度有助于粘着并且允许基体生成强化刃口和帮助基体抵抗变形的富钴区。由于它们比PVD涂层更厚，因此需要对切削刃更重的珩磨来防止象墙角厚层涂料的剥落那样的开裂。这个设计抗磨性也好且能在进给量超过每转0.076毫米到每转0.89毫米下工作。

      CVD也是唯一使用已知最佳抗热和氧化磨损的氧化铝涂层沉积工艺。氧化铝导热差，因此隔离切屑形成过程中产生的热量并迫使热量流入切屑。使得它成为硬质合金里最适合干加工的优异的CVD涂层。在高速下它保护基体，是抗磨料磨损和月牙洼磨损的最佳涂层。

      先进材料喜欢干加工

      虽然涂层材质等级有更好的刀具寿命且在干铣加工时比湿式加工更可靠，但是对于高速加工的要求使切削温度超越硬质合金刀具的经济极限。譬如在每分钟14000转和线速度每分钟400米下干加工灰铸铁，刀具前面的切削区能加热到600到700摄氏度之间。金属切除率同那些用更传统技术铣削铝接近，但是对于传统切削刀具来说加工灰铸铁产生的温度太高。

      因此，更高的切削速度将要求有更高红硬性更耐磨的切削刀具材料。金属陶瓷、立方氮化硼（CBN）和两种陶瓷（氧化铝和氮化硅）很适合这种要求。（今天，术语‘陶瓷’包括氧化铝和氮化硅两种，而不是过去仅指的氧化铝。）虽然不是针对黑色金属材料，聚晶金刚石（PCD）也是一种适合干加工刀具材料。然而，在所有材料里权衡更大的红硬性和抗磨料磨损性能的后果是易碎性。

        金属陶瓷，一种先进的硬质合金。举例讲，金属陶瓷同传统硬质合金相比能在更高的温度下工作，但不如硬质合金耐冲击、中等到重载下的韧性和低进给和高进给时的强度。然而，金属陶瓷在同传统硬质合金一样的轻载下具有大致相等的刃口强度并在更高的切削速度下承受温度和磨损更好，持续时间更长且表面光洁度更佳。对于延展性好的和粘的材料，在抗积屑瘤形成和生成表面良好光洁度方面金属陶瓷也表现更好。

      更好的红硬性来自组成刀具材料的钛化物。金属陶瓷，一个陶瓷和金属的首字母缩略字，是一种包含硬的钛基化合物（碳化钛、碳氮化钛和氮化钛）的烧结碳化物，它是以镍或镍钼做粘接剂而不象制造传统硬质合金那样用钴做粘接剂。由于金属粘接剂的温度限制，典型的金属陶瓷材质等级的红硬性不能用于加工硬度超过洛氏40的材料。

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