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值得一试的干切削 |
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我们最近走访了一家工厂，发现停用切削液带来的性能飞跃令人吃惊。这个发现纯属偶然。切削液的缺点迫使人们把加工零件的生产定额转到干加工上。需要是发明之母，员工进行了试验以确定是否能保持有效生产。结果他们发现对于切削液的投资不一定能有所回报。
在过去的二十年里，使用切削液的经济性已经发生了戏剧性的变化。早在80年代初，对于大多数机加工来说采购、管理和处理切削液的费用就占总成本小于3%。今天，平均来说，切削液的费用（包括管理和处理）占总成本的16%。由于切削刀具只占加工项目总成本的4%，接受一种以稍短的刀具寿命换取停用切削液所节约的成本以及维护切削液所带来令人头痛的问题，可能成为费用更低的选择。
况且刀具寿命甚至可能不会缩短。因为涂层硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、立方氮化硼(CBN)和聚晶金刚石都是脆性的，它们对由热应力引起的微崩和破裂很敏感，尤其是在端面车削和铣削加工时，冷却液的介入会加剧这种倾向。 
在车削时，在干式加工中更容易发生切屑缠绕。对于车削钢，
这里所指的刀片是以富钴区基体和一层20微米厚的复合涂层为特征，形成一个热屏障。
例如，在铣削中当切削刃切入和切出工件时，切削刃被加热和冷却。这些温度波动引起的膨胀和收缩会导致疲劳。最终将形成一连串垂直于切削刃的梳状热裂纹并且引起破裂。添加切削液通常会使情况更糟，其道理很简单。大部分冷却液作用在工件上比切削区温度低很多的部位。专家们还在争论一个问题：是否所有切削液都到达了切削区域（即切屑和工件之间的区域）来控制加工的热源。冷却液通常只冷却周边区域（先前较热的区域），因此加强了温度梯度并增加了热应力。
攻丝、铰孔和钻孔确实需要切削液的帮助，但不一定是为了冷却的目的。特别是用于钻孔时，是为了钻尖的润滑，也为了将排出的切屑从孔中冲走。没有切削液，切屑会堵塞在孔中，并且加工表面的平均粗糙度是湿式加工的两倍。润滑钻头刃带和孔壁之间的接触点也能降低机床的扭矩需求。
如图所示的面铣刀具有超大的径向和轴向正前角。大的正前角能减少功率消耗并有助于阻止切屑熔焊。
某些材料适合干切削
除费用和刀具寿命之外，影响选用干切削的另一个因素是工件。有时，切削液可能弄脏零件或产生污染。 想想看，进行医学植入的情况，例如为髋部植入一个球形关节。在这种不允许污染的地方，切削液是不受欢迎的。
一个工件对于干切削工艺适合与否也取决于材料本身。例如，对于大多数铸铁、碳钢和合金钢的切削来说，切削液是多余的。这些材料加工起来相对容易，热传导性好，允许切屑带走产生的大部分热量。也有一些例外，就是低碳钢，当含碳量下降时，它变得更粘。这些合金需要切削液来润滑以防止熔焊。
通常情况下，当加工大多数的铝合金时，切削液不是必需的，因为切削温度相对较低。这些材料在确实发生切屑熔焊时，大的正前角和锋利的切削刃通常可以解决这个问题。 然而，当高速切削铝合金时，高压的冷却液是有帮助的，因为用简单的压缩空气进行断屑和排屑是不够的。
干切削不锈钢更为困难一些。在这些材料中，热量会引起一些问题。 例如，它能使马氏体不锈钢过度回火。对于很多奥氏体不锈钢，由于热导率往往很低，所以热量由切削区域到切屑的流动也不好。于是切削刃过热，刀具寿命缩短到不能接受的程度。在切削不锈钢的过程中使用切削液是很必要的，还因为许多不锈钢都是粘性的，这就意味着它们有沿切削刃方向会产生积屑瘤的倾向，从而导致粗劣的表面光洁度。
对于许多材料来说，几乎不会选择干切削。所有种类的高温合金都需要切削液。尤其是切削镍基和铬基高温合金时，产生极高的温度，需要切削液来带走热量。同时，切削液的润滑能力还能保持产生的热量最小。
切削钛合金时，切削液是强制性的。虽然研究人员正在研究干式切削钛合金的途径，但是这种材料的性质对这项工作产生了极大的障碍。它是粘性的，热导率低而且（还有某些合金）闪点很低。因此，铁屑不能把热量带走，工件变热足以被点燃和燃烧起来。(虽然镁断屑容易，但也容易燃烧。) 切削液通过润滑切削刃、冲走切屑和冷却工件来防止产生这个问题。为保证切削液起到这些作用，当加工钛合金时，人们更倾向于在高压时使用切削液，压力通常在4,000到7,000磅/平方英寸范围内。
有时，粉末合金也需要切削液来产生薄薄的一层油膜作为防锈剂。
刀具必须控制热量
一些公司已经碰巧获得干切削的价值，而也有一些工厂有目的的进行尝试，但却无法看到它的益处。 其原因是干切削的成功应用不仅仅要求消除冷却液，而且还要求在整个过程中有一套控制热量的系统方法。
刀具影响热传递的最重要的方式是通过产生良好的切屑。 切屑能带走85%切削产生的热量，并且只允许5%传入工件，而10%的热量传入刀具和其它地方。新式的断屑槽压入刀具表面，这样非常有利于控制切屑的形状和尺寸。
因为切屑较热，因此延展性比对应的湿式加工更好，使得断屑更难并更有可能产生导致表面光洁度变差的有危险性的切屑缠绕。使用一种专为剪切带状切屑工件材料设计的断屑槽有助于解决这个问题。虽然这样的切削刃会有更大的正前角，但是它们不会像在湿式加工中那样脆和易碎。干切削中固有的很高的切削温度通常可以稍微软化硬质合金，增加了其韧性，降低了微崩的可能性，并提高刀具的可靠性和刀具寿命。
基于同样的理由，干切削时换成更硬一些的刀具几乎不会降低刀具寿命或切削一致性。而实际上，恰恰相反。更硬的基体能够保证切削刃在高温切削时的完整性，而轻微的软化能够防止它变得太脆。其结果是，用户可以指定一种更硬的硬质合金材质等级来提高抵抗变形和月牙洼磨损(切削刃的化学溶解)的能力。否则，在干切削时会大大缩短刀具寿命。
为干切削设计的刀具可以更加锋利，并且比湿式加工切削更为轻快，实际上它产生的摩擦力较少并且有助于热量的控制。对于钻削的研究表明，减少切削刃修磨来生成更锋利的钻头能降低40%的切削温度。锋利的切削刃不仅可以保持较低的温度，而且可以减少径向跳动并提高表面光洁度。
另一个有助于在切削过程中打碎并排出切屑的方法是用气体替换液体，其中压缩空气最为普遍。虽然在冷却时没有效果，但有时一阵压缩空气足够将切屑在切削过程中吹出来，防止了二次切削，防止多余的热量转移到工件和机床中。当润滑必要时，用户便应用一种高效润滑剂，产生一层薄雾，在切削过程中消耗。有时，最有效的方法是一种相对较新的技术，称为最低量润滑(MQL)，它是通过向刀具中注入少量的冷却剂进行润滑的。
涂层使刀具隔热
刀具涂层在保护切削刃中也起重要作用。为了进行干式加工，装上最有效的切削刀具，结合一种特殊工业化涂层系统的方法，镀上一层富钴区基体，使内部和表面都变硬。利用传统工艺和中温化学气相沉积工艺生产出非常厚的复合涂层，厚达20微米。第一层碳氮化钛涂层产生对基体和刃口韧性的必要支撑。
接下来的一层细颗粒氧化铝提供有效热屏障，适合干切削和高切削速度。第二层是耐磨的碳氮化钛，它有助于控制后刀面和月牙洼磨损，而顶层的氮化钛则能产生抗积屑瘤能力，并且能够更容易的确定刀具的磨损程度。
润滑性好的涂层通过降低摩擦力来减少热量的产生。例如二硫化钼和硬质合金涂层具有低摩擦系数，在切削过程中就能够起润滑作用。然而，这些涂层很软，而且刀具寿命相对较短。为弥补这个局限性，这些涂层常常与坚硬的衬层一起使用，例如碳化钛，氮铝化钛，氧化铝或一些化合物。
车削时，在干切削中更容易发生切屑缠绕。对于车削钢件，这里所指的刀片是以富钴区基体和20微米厚的复合涂层为特征，形成一个热屏障。
找到最好的切削参数
如果想在干切削方面取得较好的效果，除了需要指定正确的切削刀具以外，还有很多需要注意的地方。最适宜的主轴转速、进给速率和切削深度也很重要。例如，如果利用改变断屑槽的方法不能充分控制切屑，可以试着调节进给速率。增加进给速率通常能得到最好的效果，减少进给速率不利。
使用适当的切削参数也有助于使热量产生到最小。最显而易见的方法是利用较高的速度和进给就能达到，当以更快的速度切削工件材料时减少了切屑的负载。这样，切削时间较少，同时也减少了产生热量的时间以及热量渗入工件的时间。
但是有时降低主轴转速的15％左右是降低切削温度的最佳行动方案。为了防止生产率受影响，用户可以相应增加进给速率。一定要参考机床的扭矩图表以确保较低的轴速和较高的进给速率不会增加扭矩要求以及使主轴闷车。如果扭矩的要求超过主轴的能力，可以选用直径小一些的刀具。如果较高的进给速率对表面光洁度不利，可以增加刀具的刀尖半径作为补偿。
在铣削中，切削深度也会影响切削温度，因为它既影响了切削力，也影响了冷却时间。满切削的铣刀切削工件时，一半的时间切削并被加热，另一半的时间进行空冷。然而，当啮合宽度只有50％的时候，就只有1/4的时间在切削，3/4的时间进行空冷。换句话说，工件只用了相当于原来一半的时间获得热量，而更多的时间是用来冷却。大多数刀具制造商根据不同硬度值的最佳切削温度来确定切削深度，因此请遵循他们的建议。
机床也扮演着一个角色
当刀具从切削区排出切屑时，机床必须尽它的职责迅速将切屑带走。如果切屑在机床或其它地方积聚，甚至即使积聚了相对较短的时间，切屑内部的热量也能传到床身，引起膨胀和微小扭曲，影响精密加工的精度。
由于没有切削液带走切屑和吸收热量，机床必须依赖它本身的设计有效地移走切屑。对于干式铣削加工来说，卧式机床是最好的，因为在这种机床上允许切屑直接落在机床下面的切屑传送带上。实际上，一些设计者已经设计了最新HMC，通过在中心开孔来消除在水平面上堆积切屑。
对于车削，首选的主轴方向恰恰相反。立式卡盘是完全封闭的，当零件旋转时，切屑依靠惯性被甩到内壁上。切屑随后落到下面的传送带。很多设计者已经设计了最新的立式车床，带有倒置的主轴，更进一步利用了重力。
虽然当今还没有适用于所有机床的标准切屑传送带，但是对于干式加工来说，它是必须的。真空过滤装置也能将加工铸铁和石墨时封闭在机床中的灰尘除去。
不管机床在排屑方面多有效率，但当没有使用切削液以增加热稳定性时，机床和工件就会对温度变化更加敏感。其结果是，涉及到高精度应用场合也许需要机床具有对称设计和热补偿包以进行实时调节补偿。用户可能也考虑到周期性测量工件的关键尺寸，用在线探查的方式或在离线测量站监测热漂移的方法，并在必要时采取纠正措施。
控制热波动的另一种方法是在设计工艺时把波动值降到最小。例如，早晨开动机床之后，操作工会给机床一些时间空转以达到一种稳态，并且利用自动化使机床在不加工时保持运行。对于在同一工位进行几个操作的应用来说，首先应计划执行干式加工，然后钻孔、攻丝，最后是其它湿式加工。采取这种预防措施能够将切削液的用量降到最小，并且可以防止其对干式加工的干扰。(end)
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(12/12/2004) |
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