高速干切削的发展优势

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1、高速切削(HSC)加工作为一种先进切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日 益广泛应用。高速加工采用远高于常规加工切削速度进给速度，不仅可提高加 工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高加工精度。随着高速主轴技术发展， 与其配套新型刀具不断出现，同时对高速加工工艺参数优化研究也不断深入， 使得高速切削技术理论研究应用都得到了长足发展。高速加工主要优点有：1、切削力降低 30%左右，特别适合刚性差零件；2、由于加工时对刀具工件进行了冷却润滑，减少了切削热对工件影响，特 别适合加工易热变形工件；3、激振频率远远高于机床工艺系统固有频率，加工平稳，振动小，加工表 面质量好；4、能极大地提高生产效率。但

2、，高速切削采用高压大流量冷却方式会增加环境污染、提高生产成本、 减少刀具耐用度、加大机床腐蚀等一系列问题。为了解决上述问题，目前采用方法一种改变切削液使用参数用量，研制新 型无污染绿色切削液；另一种切削过程停止使用切削液，采用干切削，它能从 根本上彻底解决切削液带来问题。山特维克切削刀具干切削技术上世纪九十年代为适应全球日益高涨环保要求可持续发展战略 而发展起来一项绿色切削加工技术，目前欧美、日本等工业发达国家非常重视 干切削研究，干切削技术已经成功应用到了生产领域，并且取得了良好经济效 益。高速切削因具有降低切削力，工件热变形小等特点，为实现干切削提供了 有利条件，高速干切削目标不仅要限制或

3、停止使用切削液，而且要保证高加工 效率加工质量。但高速干切削，因缺乏切削液冷却润滑排屑作用，会导致切削 区刀具与工件摩擦加剧，切削力增大，切削温度上升，切削振动增强以及排屑 不畅等情况，会影响机床加工性能刀具使用寿命，降低加工质量。因此，需要 从刀具、机床辅助工艺等方面来进行研究并优化，使高速干切削技术能得到更 广泛应用。nextpage 一、高速干切削刀具技术高速干切削刀具要承受比湿切削更高温度，刀具与切屑刀具与工件接触面 上摩擦系数也要尽可能小，而且还要求刀具有利于断屑、排屑散热，这就需要 从刀具材料、刀具涂层以及刀具结构优化等几个方面来解决。1.刀具材料刀具材料迅速发展高速干切削得以实施

4、工艺基础。高速干切削时要求刀具 材料与被加工材料化学亲力要小，必须具有良好耐热性，极高红硬性热韧性。 目前适用于干式加工刀具材料有超细颗粒硬质合金、PCD(聚晶金刚石)、CBN(立 方氮化棚)、陶瓷金属陶瓷等。细晶粒硬质合金特别能承受较高切谢温度，具有 较高强度冲击韧度，适用于制作干切削钻头铣刀。PCD(聚晶金刚石)CVD 金刚石 涂层刀片有很高硬度热导率，适合高速干切削有色金属(如铜合金，铝合金)以 及钛合金耐磨高性能复合材料，但不能加工黑色金属。CBN(立方氮化硼)硬度耐 磨性仅次于金刚石，有优良红硬性、化学稳定性低摩擦系数，高速干切削 HRC50 以上淬硬钢冷硬铸铁等黑色金属理想刀具材料

5、。金属陶瓷硬度冲击性好， 热硬性差，故多用于精加工半精加工。陶瓷具有硬度高。化学稳定性抗粘结性 好、摩擦系数低等优点，相对廉价干切削刀具材料，但其强度、韧性抗冲击性 能差，适用于灰铸铁钢高速干切削。2.刀具结构优化于切削刀具失效形式主要月牙洼磨损，所以一般都采用较大前角以减少切 屑与前刀面接触面积。为弥补大前角对刃口强度削弱，常配以加强刃甚至前刀 面上带有加强筋。较大正前角、锋利而强有力切削刃有利于断屑。总之，干切 削刀具结构设计必须考虑断屑排屑问题。对韧性材料加工来说，断屑非常关键， 目前车刀三维曲面断屑槽方面设计制造技术已经比较成熟，可针对不同工件材 料切削用量很快设计出相应断屑槽结构与尺

6、寸，并能大大提高切屑折断能力对 切屑流动方向控制能力。此外，为了加速刀具冷却以降低切削温度，也可采用 热管式刀具或液氮冷却刀具。用液氮冷却刀具方法，车刀前刀面倒装了一个金属帽状物，其内腔与刀片 表面共同组成一个封闭空间。帽状物上有液氮入口出口。干切割过程，液氮封 闭空间内不断地流动，吸收刀片上切削热，使刀具不产生过高温升，始终保持 良好切削性能，顺利实现于切削。3.刀具涂层采用高速干切削，若仅仅使用目前已有热稳定性好刀具材料优化刀具几何 形状，仍未能达到很好效果。因此，采用刀面上涂覆隔热性好硬涂层具有固体 润滑性能软涂层，使刀具能承受更高切削温度。涂层作用一提供了低摩擦层， 减少了刀具与工件表

7、面之间摩擦粘结，相当于切削液润滑作用；二刀具切削之 间起到隔热作用，阻止切削热向刀具传播，相当于切削液冷却作用。涂层材料可分为软涂层硬涂层。基于 MoSWLC 软涂层主要用于对涂层滑动 性能要求非常高场合。硬涂层主要有 TiN、TiCN、TiAlN 等，TiAlN 具有很好耐 热性耐高温性，硬度高达 3500HV，工作温度高达 799，而且因为添加了 Al， 使刀具抗氧化性能大大提高，高速加工干切削最常用材料。TiN 干切削时可作 为一种“通用涂层”，主要用于干攻丝(铸铁丝推除外)，TiN 涂层用整体硬质 合金铣刀上效果很好。高速干切削刀具常常使用多层复合涂层，把硬涂层软涂层结合一起，即一 道

8、涂覆工序采用两种物理气相沉积工艺，先产生硬涂层 TIALN，然后再其上面 采用溅射法产生 WCC 软涂层，可以有效提高刀具寿命。目前新涂层技术如高 硬度、高热稳定性金刚石薄膜涂层，CBN 薄膜涂层，由多种涂层材料不同组合 构成纳米级涂层等，均得到了长足发展，其所具有优异抗磨损及自润滑性能， 使其更能适用于多种材料高速干切削。二、高速干切削机床技术由于高速干式切削加工机床不再使用切削液，必然导致其整体结构及布局 变化，主要体现对机床隔热性能、排屑速度、洗尘效果机床基础构件三刚度(静 刚度、动刚度热刚度)等方面提出了更高要求。1.高速干切削机床机构a.选用三刚度高高速机床由于高速于式切削加工过程会

9、产生更大切削力更多切削热，从而导致刀具 与工件之间振动以及机床热变形明显增大，因此选用机床基础构件(如立柱、床 身、工作台等)三刚度要大，如采用人造花岗岩等新材料整体制造床身，不仅三 刚度好，而且减振效果明显。此外，将被认为“21 世纪新式数控机床”、“机 床结构重大技术革命”虚拟轴机床与高速干式切削加工技术结合起来，将会获 得更好效果。b.采用快速排屑布局应用高速干式切削加工要点之一要切屑大部分热量传人机床之前迅速将其 排出。为此，可采取以下排屑方法：高速干式切削加工机床应尽可能采用立 式主轴倾斜式床身，工作台四周应采用倾斜隔板，这样有助于热切屑迅速坠入 排屑槽。借助重力排屑。以钻削加工为例

10、，可改变机床常规布局，将工件安装主轴下部，刀具从下向上钻削，重力作用下，切屑可从孔顺利排出，而无须 使用带压力切削液来辅助排屑。利用虹吸现象排屑。钻削加工，可利用干燥 空气通过虹吸作用吸出孔切屑，而无须使用切削液。利用真空或喷气系统改 善排屑条件。如日本某公司开发“洁净回收系统”，采用将刀具部分罩住结构， 利用从内部吹出压缩空气，使切屑顺着刀具回转方向经螺旋管道排出。 nextpagec.采用热稳定性好结构适当隔热措施机床床身采用热稳定性好结构材料，可将切削热影响降到最 低程度。如采用均衡温度结构，将床身左右两侧、顶部底部设计成四个相通型 腔并注入油液，即可保证整个床身具有相同温度。此外，机床

11、立柱与底座等基 础构件采用对称结构并选用热容量小材料，主轴采用恒温水冷装置等，都能提 高机床热稳定性。采取适当隔热措施，如排屑槽用绝热材料制造，高速切削区采用绝热罩来 隔断热切屑等，均可减少排屑过程切屑传递给机床热量。2.高速干切削机床主轴主轴应具有较高转速较高刚度，特别动刚度，以适应干切削过程切削力增 大、切削振动增强影响，因此，通过动态优化高速大功率电主轴技术能有效适 合高速于切削要求，它采用内藏式无外壳伺服电机直接驱动方式，消除了间传 动链影响，可以获得较高主轴转速，而且还可以提高主轴刚度频率响应，抑制 或降低主轴单元干切削过程切削振动，同时采用陶瓷轴承以及先进润滑技术， 降低主轴加工过

12、程热影响。主轴密封技术也实现高速干切削重要因素。目前， 高速主轴设计，采用动态优化电主轴结构，并结合通过热平衡设计，循环内冷 却技术轴承油气润滑技术，提高主轴单元动刚度热稳定性。防尘方面，采用迷 宫式非接触结构，并结合油气润滑高压气体(O.4MPa)，能有效防止加工悬浮颗 粒侵入。3.高速干切削机床进给单元进给单元应具有较高刚度较大推力，很高进给速度良好加减速特性。目前 主要有“伺服电机+大导程高速滚珠丝杠副”“直流直线电机直接驱动”。精密 高速滚珠丝杠副最大进给速度可达到 5080mmin，进给加速度可达 0.51.5g；直线电动机直接驱动进给单元最大进给速度可达到 100200m/min，

13、进给加速度可达 310g。两种进给系统均能满足高速干切削 加工要求，其直线电动机进给单元加减速能力较强，高速干切削加工理想进给 方式，但直线电动机使用存承载力小、易发热等问题，有待改进。三、高速干切削工艺技术由于高速切削条件下，95%98%切削热将被切屑带走，切削力也可降低 30%， 因此，采用很高切削速度进行加工可以取得与使用切削液相同效果。日本牧野公司提出“红月牙”于切削工艺技术，其机理由于切削速度很高，产生热量聚 集于刀具前部，使切削区附近工件材料达到红热状态，导致屈服强度明显下降， 从而提高材料去除率。一些机械加工，纯粹干切削难以实现。可以采用最小量润滑(MQL)技术(又 称准于切削)

14、。这种方法将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区， 对刀具工件之间加工部位进行有效润滑。MQL 技术可以大大减少“刀具一工件” “刀具一切屑”之间摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连提高工件 加工质量作用，使用润滑液也很少，效果却十分明显。MQL 技术使用对人健康 无害植物油或脂油，其用量极少，一般为 0.030.2L/h，而 1 台典型加工心进 行湿切削时，切削液用量高达 20100L/h，为 MQL 润滑油用量 6 万倍左右。 MQL 润滑准干切削效果相当好，现已十分流行。此外，还可某些特殊气体(如液 氮)氛围进行干切削加工低温冷风于切削加工。四、结束语高速干切削加工从根本上解决了切削液带来弊端，不仅有利于工人健康环 境保护，而且可以降低加工成本，无疑一种很有发展前途绿色加工工艺。