干式切削加工条件的研究

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：干切削方法的研究是干切削条件基础研究的助推剂。从干切削实施条件分析中可以看出，机床、刀具、工艺参数等问题是干切削条件基础研究中的主要问题。

干切削方法的研究是干切削条件基础研究的助推剂。每一种新的干切削方法的产生、应用都会对干切削条件的基础研究提出新的课题，这些研究内容可以归结为以下三个问题：能是否实现干切削；如何更好、更方便地实现干切削；为了方便、可靠、绿色、保证质量地实现干切削涉及哪些最基本的条件。前两个问题是方法的创新、工艺的创新问题，后一个问题具有干切削研究的一些共性问题。从干切削实施条件分析中可以看出，机床、刀具、工艺参数等问题是干切削条件基础研究中的主要问题。

1.干切削机床技术

（1）普通干切削的机床技术设计干切削机床首先要考虑切削热的散发、切屑和灰尘的及时排出，这两个问题已在2.2节中进行了叙述，但要解决上述问题，需要对机床结构、机床部件、机床零件的设计，机床零件材料的选用，机床自动化系统等问题进行深入研究。

为了便于排屑，干切削机床应尽可能设计成立式主轴和倾斜式床身，工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成，将加工过程中产生的大量切屑直接送入螺旋排屑槽；也可以采用吸气系统防止切屑堆积在工作台和其他支承部件上。采用内置的循环冷气系统可以提高机床工艺系统的热稳定性。在加工区的某些关键部位设置温度传感器，用以监控机床温度场的变化情况，必要时通过数控系统进行精确的误差补偿等。这些机床结构和子系统、部件的增加和改进都是干切削机床设计时需要探讨的问题。

（2）高速干切削机床技术高速干切削的机床结构有其特殊要求，它是实现高速干切削最基本且关键的技术。通常，与机床结构有关的关键技术包括：

1）独特的主轴结构单元。

2）高速直线驱动进给单元（系统）。

3）高速切削刀具技术及其系统。

4）高性能的数控和伺服驱动器。

5）高效冷却系统。

6）可靠的安全装置与实时监控系统。

7）高阻尼和高刚度的机床床体结构。

8）良好的动态特性和热特性。

2.干切削刀具技术

刀具能否承受干切削时产生的大量热量，是实现干切削的关键。干切削的刀具技术包括新型刀具材料、刀具几何参数设计、刀柄结构等方面。

（1）新型刀具材料根据干切削对刀具的要求，以及干切削时防止刀具材料与工件材料扩散、粘结，应注意刀具材料与工件材料的合理搭配，并积极开发新型刀具材料。新型刀具材料的研究主要集中在超硬刀具材料（含聚晶金刚石PCD、聚晶立方氮化硼PCBN、立方氮化硼CBN等）、金属陶瓷、陶瓷、涂层、性能优异的高速钢和硬质合金等方面。除了研究刀具材料的硬度、韧度、热稳定性外，还有不同刀具材料在干切削中的适应性；不同被切削材料在干切削中的作用、特点、性能的研究；在刀具涂层中对涂层材料、涂层参数、涂层工艺、复合涂层的研究；在硬质合金刀具材料中添加TaC和NbC等元素的研究；对其材料的细晶粒（1～0.5μm）、超细晶粒（＜0.5μm）乃至颗粒纳米化等方面的研究。对高速钢刀具材料的研究，倾向于无钴、少钴、少钨、粉末冶金高速钢刀具等方面。在这些研究中，需考虑某些材料资源多则多用，某些材料资源少则少用或不用，使有限资源尽可能发挥更大作用。

（2）刀具几何参数设计刀片形状及几何参数的合理确定，对充分发挥刀具切削性能非常重要。目前，可转位刀片是发展的主流。刀片材料选定后，应尽可能选用强度高的刀片形状和可靠的刀片夹紧方式。各种刀具刀片形状的刀尖强度由高往低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀体上还有许多小的结构设计，如：各种槽（刀片槽、容屑槽、键槽等）应避免贯通形式，减少尖角以防应力集中；刀体质量的分布应调整合理，使得刀体膨胀均匀。在铝合金的高速铣削中，通常用双刃铣刀，这是因为过多的切削刃会缩小容屑空间，容易引起切屑粘刀。为避开共振频率，也可采用三刃铣刀，以增加冲击频率等。

对几何参数而言，干切削尤其是在硬切削中，应选择尽可能大的刀尖圆弧半径，用圆形及大半径刀片粗加工，精加工时刀尖半径取0.8～1.2mm。干切削时由于切削力、切削热相对集中，且切削温度又高，在硬切削时切削力比较大，特别是径向切削力比主切削力还要大，因此，刀具宜采用负前角（γ₀≤－5°）和较大的后角（α₀＝10°～15°），主偏角根据机床刚性，一般取45°～60°，以减少工件和刀具的振动。

值得指出的是，刀具结构、刀具几何参数的设计与刀具材料、被加工工件材料、切削工艺参数、机床条件、冷却方式等因素有关，使用者需经过一定的工艺试验研究后选用，才能取得适用于生产实际的优化值。

（3）刀柄结构在高速干切削中，刀片的固定、刀头与主轴的连接等问题，不仅涉及安全问题，还决定高速干切削能否实现。除此而外，涉及刀具寿命和安全性的因素还有刀具系统平衡设计、减少径向和轴向圆跳动、控制平衡精度等。

3.干切削工艺技术

干切削工艺技术涉及工艺方法、切削用量三要素、工艺环境等方面的研究。当采用某种工艺方法时，再增加一些相应的工艺措施会使该工艺方法的应用更加完善。例如，在对氮化硅（Si₃ N₄）工件进行硬态车削时，由于该材料有极高的抗拉强度，使得任何刀具都会很快产生破损。采用激光辅助切削，用激光束对工件切削区进行预热，使工件局部软化（其抗拉强度由750MPa降至400MPa），从而使切削阻力减少30％～70％，刀具磨损降低80％左右，使干切削得以顺利进行。

加工工艺中的切削用量是一个非常活跃的因素，切削用量与刀具材料、刀具结构、几何参数，以及被加工工件材料、机床性能、加工方式的优化有关，这些因素能使干切削更容易实现。一般来说，硬态切削时，通常采用CBN或陶瓷刀具材料，由于其耐热性和耐磨性好，因而可选用较高的切削速度和较大的切削深度以及较小的进给量。但当使用硬质合金刀具时，由于硬质合金刀具的耐磨性不如CBN或陶瓷刀具，因此，不宜选用较高的切削速度和切削深度。

高速干切削时，切削参数选择的一般原则是：高的切削速度、中等的进给量和较大的切削深度。但具体选择时，还需要和被加工工件材料、机床性能、刀具情况、工艺环境等因素结合起来考虑。例如，上海某模具厂高精度铝制模具型腔的加工，长期以来达不到图样规定的加工技术要求，加工后需要手工铲刮、抛光。经过一段时间摸索，采用DIGTT—218高速铣床，半精加工选取主轴转速18000r/min、背吃刀量2mm、进给速度5m/min，精加工选取主轴转速20000r/min、背吃刀量0.2mm、进给速度8m/min。结果每件工件的加工周期由原来的60h缩短为6h，且模具质量满足客户要求。由此可见，由于高速干切削是一种新的切削方式，目前尚没有完整的加工参数供选择，也没有许多与使用者工艺环境非常接近的加工实例供参考。因此，高速干切削时，合理的切削参数、最佳的切削效果，需要在工艺应用试验和必要的研究后才能得到。

普通干切削过程中一般不使用切削液，高速干切削、硬态切削过程中更是如此。但在某些加工中完全实施不使用切削液的干式切削技术往往又是比较困难的。这就提出了什么情况下使用切削液、如何使用切削液的研究问题。美国职业安全健康委员会（OSHA）根据调查提出了切削液使用的新概念，其中有低温冷却、喷雾冷却（复合喷雾冷却）、最小润滑技术（Minimal Quantity of Lubricating，MQL）等。上述三种冷却润滑方法，从根本上讲是冷却润滑方法在干切削、亚干切削两大类切削方法中的应用。目前在干切削或亚干切削中使用的冷却、润滑方法很多，如：气体冷却、亚干式切削、低温冷却、保护气体油雾冷却、水蒸气冷却润滑切削、喷雾冷却等。在低温冷却中又有液态氮直接喷射冷却，以及用CO₂的自喷方式对切削区的直接冷却。用经干燥的空气维持杜瓦瓶的恒压，利用虹吸原理让压缩空气从瓶中抽出液态氮，经特制的喷嘴喷向切削区，采用液态氮或CO₂从外部冷却工件，来达到降低切削区温度的目的；另一种是采用刀具内部制冷方法，甚至把刀具与冷冻机直接相连对刀具进行循环冷却，效果也很明显。实验证明，低温切削钛合金、不锈钢、高强度及耐磨铸铁等均能取得良好效果。采用低温冷却切削技术能有效降低切削区的切削热，改变切削区切削温度的分布。

在比较干切削和湿式切削的试验中，我们不难发现切削热是影响被加工工件尺寸精度的一个主要问题，干切削由于切削热来不及散发从而累积在切削区，使工件产生膨胀，其精度低于同等条件下的湿切削。因此，在需要进行干切削时，除了上述有关因素外，冷却润滑方法、冷却温度、喷射方式、喷射角度、靶距、切削液的用量等因素的优化也是需要系统研究的问题。

干式切削加工条件的研究

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