干切削的優(yōu)勢與應用(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%。所以很少有機械加工廠對它們關注很多。在那以后，隨著時間的推移，發(fā)生了戲劇性的變化：如今的切削液費用估計達每年幾十億美元，且占生產(chǎn)成本比重高達15%。現(xiàn)在，機加工行業(yè)無時不刻都在為他們的切削液擔憂。
切削液，尤其是那些含油的切削液，已成為巨大的負擔。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行特殊處理。即使當?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行分類，如果它們含油和某些合金，更要加強嚴格控制。
因為很多高速加工和切削液噴嘴產(chǎn)生油霧或工人能呼吸到的氣溶膠，政府機構還限制空氣里切削油霧的允許含量。環(huán)境保護局已經(jīng)計劃出臺更嚴格的針對 控制這些空氣里微粒的標準，進一步提高機加工企業(yè)的計劃成本和責任。職業(yè)安全和健康管理局也正在考慮一個咨詢委員會推薦通過一個最大值到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、記錄存檔和遵循現(xiàn)行和計劃的規(guī)定所產(chǎn)生的成本正迫使切削液價格迅速上漲。大型工廠支付從幾萬到幾十萬的資金來維護切削液，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。其結果是，很多機加工企業(yè)正在就通過干切削來避免費用和伴隨切 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。很多從濕式加工轉變到干加工的可見成本也很高。但如今都不成為問題。實際上，在很多加工中，常規(guī)操作應該是干加工。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、機床和切削技術。
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)認識。雖然現(xiàn)實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今更高的切削速度，并非一定要使用切削液。先進的硬質合金材質牌號，尤其是有涂層保護的，在高速高溫下不使用切削液實際上切削更有效率。實際上，在斷續(xù)切削時，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。舉例來說，假定切削液能克服銑刀高速旋轉產(chǎn)生的離心力，切削液在到達切削區(qū)之前早已汽化，對那里幾乎沒有冷卻作用。
結果是有一個在當?shù)镀腥肭谐鰰r產(chǎn)生先天的溫度波動更明顯的區(qū)別。隨著刀具的旋轉，當?shù)镀谐鰰r冷卻，然后在切入時再一次被加熱。雖然在干切削時也發(fā)生加熱和冷卻循環(huán)，但是當有切削液時溫度波動更大。隨之發(fā)生的熱沖擊會在刀片上產(chǎn)生應力，并會使其過早破裂。
相似的結果也在車削時發(fā)生。譬如當在切削速度高于130m/min時切削碳鋼，暴露在冷卻液里的未涂層硬質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。因為大多數(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，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。
因為還沒有用于預測切削液效果和性能的科學模型，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，而冷卻能力強的切削液會提高高速加工、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，因為現(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
涂層通常是當今不再需要切削液的另一個原因。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。涂層的作用就像熱屏障，因為它有比刀具 基體和工件材料低很多的熱導性。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，可在不犧牲刀具壽命的前提下進行更高速 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。因為薄涂層比厚涂層在快速冷卻和加熱過程中引起應力更低，并且不易破裂。對于斷續(xù)切 削，這個厚度范圍較薄的一端承受溫度波動的能力更佳。在相同的應力下，厚涂層在加熱或冷卻太快時容易破裂。因此，用薄涂層刀片進行干加工通常可以延長刀具 壽命達40%。
這是為什么圓刀片和銑刀片通常采用物理氣相沉積(PVD)的一個重要原因。和相對應的化學氣相沉積(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，TiAlN超過TiN性能的3倍。在干銑削和小直徑深孔鉆削時，由于切削液很難滲透，熱應力很高，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)定性和抗化學磨損能力最好的PVD涂層。其硬度高達Hv3500，而且工作溫度高達 1470F°。雖然沒有人知道為什么會如此，但是科學家猜想，這些特性來自一種當某些高溫下涂層表面氧化時在切屑-刀具接觸面形成的非晶質氧化鋁膜。
應用更薄的多層PVD涂層使其更適合于干切削的研究正在進行之中。這種沉積工藝建立一種由數(shù)百層僅幾納米厚的涂層構成。相反，傳統(tǒng)PVD工藝由幾層微米級的涂層沉積而成。
盡管對PVD涂層有著強烈的興趣，與之相對應的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 設計可提高耐磨性，且能用超過0.076mm/r～0.89mm/r的進給量進行加工。 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。使得它成為硬質合金里最適合干加工的優(yōu)異的CVD涂層。在高速下它保護基體，是抗磨料磨損和月牙洼磨損的最佳涂層。
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