干式加工

1、僅僅20年前，切削液是便宜的且占多數(shù)加工過(guò)程的比重少于3%。所以很少有機(jī)械加工廠對(duì)它們關(guān)注很多。在那時(shí)以后隨著時(shí)間的推移發(fā)生了戲劇化的變化：如今的切削液費(fèi)用估計(jì)達(dá)每年幾十億美圓且占生產(chǎn)成本高達(dá)15%。現(xiàn)在，機(jī)加工行業(yè)無(wú)時(shí)不刻都在為他們的切削液擔(dān)憂。切削液，尤其是那些含油的，已成為巨大的負(fù)擔(dān)。不管某種切削液有多安全和環(huán)保，政府法令仍將要求你從傾倒到池里的那一刻起進(jìn)行特殊處理。即使你的當(dāng)?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

2、旦它同在機(jī)床里夾雜油和金屬碎屑混合物它就變成一種受控的工業(yè)廢料。不僅美國(guó)環(huán)境保護(hù)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(jìn)行分類(lèi)并如果它們含油和某些合金強(qiáng)加嚴(yán)格控制。因?yàn)楹芏喔咚偌庸ず颓邢饕簢娮飚a(chǎn)生細(xì)油霧或工人能呼吸到的氣溶膠，政府機(jī)構(gòu)還限制空氣里切削油霧的允許量。提高機(jī)加工企業(yè)計(jì)劃成本和責(zé)任更多，環(huán)境保護(hù)局已經(jīng)計(jì)劃更嚴(yán)格的針對(duì)控制這些空氣里的微粒的標(biāo)準(zhǔn)。職業(yè)安全和健康管理局也正在考慮一個(gè)咨詢(xún)委員會(huì)推薦通過(guò)一個(gè)

3、最大值到0.5mgm3和作用水平到0.25mgm3的法令來(lái)限制較低的切削液氣霧的允許暴露量。維護(hù)、記錄存檔和遵循現(xiàn)行和計(jì)劃的規(guī)定所產(chǎn)生的成本正迫使切削液的價(jià)格迅速上漲。大型工廠支付從幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)的資金來(lái)維護(hù)切削液和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(guò)的切削液的處理來(lái)推遲它們的處理。其結(jié)果是很多機(jī)加工企業(yè)正在就通過(guò)干切削來(lái)避免費(fèi)用和伴隨切削液產(chǎn)生的副作用展開(kāi)討論。雖然大多數(shù)工廠可能承認(rèn)有消滅切削液的愿望，但他們

4、不能確定能做得到。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(lái)維持競(jìng)爭(zhēng)力是必要的。很多從濕式加工轉(zhuǎn)變到干加工的可見(jiàn)成本也是高的。如今都不成為問(wèn)題。實(shí)際上，在很多加工中常規(guī)操作應(yīng)該是干加工。再者，干車(chē)硬材料和高速干銑削不僅是可行的而且是有利可圖的。其技巧是正確集成刀具、機(jī)床和切削技術(shù)。切削液有損害而沒(méi)有幫助更多采用干切削最大的障礙之一是切削液對(duì)于取得較好光潔度和更長(zhǎng)刀具壽命是必要的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。雖然現(xiàn)實(shí)中對(duì)于許多應(yīng)用仍然是必要

5、的，但是研究表明有了現(xiàn)代切削刀具材料和當(dāng)今更高的切削速度就不是這樣的。先進(jìn)的硬質(zhì)合金材質(zhì)等級(jí)，尤其是有涂層保護(hù)的，在高速高溫下不使用切削液實(shí)際上切得更有效率。實(shí)際上在斷續(xù)切削時(shí)切削區(qū)溫度越高，切削液越變得不合適。這種似乎是跟直覺(jué)相反的趨勢(shì)的原因在于切削區(qū)變得非常熱，通常超過(guò)攝氏1000度，尤其是在高速切削和硬材料切削時(shí)。舉例來(lái)說(shuō)，假定切削液能克服銑刀高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，切削液在到達(dá)切削區(qū)之前早已汽化并對(duì)那里幾乎沒(méi)有冷卻作用。結(jié)果是有一

6、個(gè)在當(dāng)?shù)镀腥肭谐鰰r(shí)產(chǎn)生先天的溫度波動(dòng)更明顯的區(qū)別。隨著刀具的旋轉(zhuǎn)當(dāng)?shù)镀谐鰰r(shí)冷卻，然后在切入時(shí)再一次被加熱。雖然在干加工時(shí)也發(fā)生加熱和冷卻循環(huán)，但是當(dāng)有切削液時(shí)溫度波動(dòng)更大。跟著發(fā)生的熱沖擊會(huì)在刀片上產(chǎn)生應(yīng)力并會(huì)過(guò)早地破裂。相似的結(jié)果也在車(chē)削時(shí)發(fā)生。譬如當(dāng)在切削速度高于130mmin時(shí)切削碳鋼，暴露在冷卻液里不涂層硬質(zhì)合金刀片能承受顯著的熱沖擊少于40秒。這種沖擊通過(guò)輕微增加前刀面磨損和劇烈的后刀面磨損戲劇性地縮短刀具壽命。因?yàn)榇蠖鄶?shù)

7、生產(chǎn)車(chē)削少于40秒，對(duì)于刀具壽命來(lái)說(shuō)干車(chē)通常是更可取的。另一方面，在鉆削時(shí)為了提供潤(rùn)滑和把切屑從孔里沖出來(lái)切削液通常是必須的。沒(méi)有切削液，切屑會(huì)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(guò)潤(rùn)滑邊緣碰到孔壁的鉆尖也能降低必要的馬達(dá)扭矩。雖然涂層鉆頭在某種程度上會(huì)加倍切削液的潤(rùn)滑效果，但是降低切削力的涂層最可能的趨勢(shì)是把摩擦降到最低。石（PCD）也是一種適合干加工刀具材料。然而，在所有材料里權(quán)衡更大的紅硬性和抗磨料磨損性能的

8、后果是易碎性。金屬陶瓷，一種先進(jìn)的硬質(zhì)合金。舉例講，金屬陶瓷同傳統(tǒng)硬質(zhì)合金相比能在更高的溫度下工作，但不如硬質(zhì)合金耐沖擊、中等到重載下的韌性和低進(jìn)給和高進(jìn)給時(shí)的強(qiáng)度。然而，金屬陶瓷在同傳統(tǒng)硬質(zhì)合金一樣的輕載下具有大致相等的刃口強(qiáng)度并在更高的切削速度下承受溫度和磨損更好，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)且表面光潔度更佳。對(duì)于延展性好的和粘的材料，在抗積屑瘤形成和生成表面良好光潔度方面金屬陶瓷也表現(xiàn)更好。更好的紅硬性來(lái)自組成刀具材料的鈦化物。金屬陶瓷，一個(gè)陶瓷

9、和金屬的首字母縮略字，是一種包含硬的鈦基化合物（碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦）的燒結(jié)碳化物，它是以鎳或鎳鉬做粘接劑而不象制造傳統(tǒng)硬質(zhì)合金那樣用鈷做粘接劑。由于金屬粘接劑的溫度限制，典型的金屬陶瓷材質(zhì)等級(jí)的紅硬性不能用于加工硬度超過(guò)洛氏40的材料。金屬陶瓷也對(duì)破壞和進(jìn)給引起的應(yīng)力要比涂層和不涂層硬質(zhì)合金敏感得多。因此，它在需要高精度和良好光潔度并工作在高切削速度、低進(jìn)給、小切深的加工時(shí)表現(xiàn)最佳。理想的加工操作是那些切削時(shí)沒(méi)有嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)的情況。對(duì)

10、于車(chē)削碳鋼進(jìn)給的上限通常是每轉(zhuǎn)0.63毫米，并且也能處理主軸高速且合適進(jìn)給下的普通銑削。如果保持在這些操作限制內(nèi)，大量生產(chǎn)情況下金屬陶瓷能在很長(zhǎng)時(shí)間里保持鋒利的切削刃。雖然金屬陶瓷能在傳統(tǒng)速度和進(jìn)給下僅通過(guò)提高硬質(zhì)合金的刀具壽命和光潔度而值得使用，但它能通過(guò)在加工合金鋼提高20%速度和加工碳鋼、不銹鋼和球墨鑄鐵提高50%速度而提高生產(chǎn)率。陶瓷，是刀具材料的一個(gè)分支。陶瓷切削刀具同它們相對(duì)應(yīng)的金屬陶瓷相似，對(duì)工件材料化學(xué)穩(wěn)定性好，刀具壽命

11、長(zhǎng)而且能在高速下切削。純氧化鋁有極高的熱阻抗但強(qiáng)度和韌性低，如果工況不佳的話較低的強(qiáng)度和韌性的組合會(huì)似得它容易破壞。為了使它對(duì)破裂敏感性降低，刀具制造商要么添加少量氧化鋯來(lái)提高韌性，要么混入20%到40%的碳化鈦和氮化鈦來(lái)提高抗沖擊性和熱導(dǎo)性。但是，韌性仍然要比硬質(zhì)合金低很多。另外一種提高氧化鋁韌性的方法是植入碳化硅加強(qiáng)物的晶隙或晶須。雖然這些晶須典型的平均直徑只有一微米長(zhǎng)度是20微米，但它們很牢固并明顯地增加韌性和抗熱沖擊性。晶須最多

12、能占到總量的30%。和氧化鋁相象，氮化硅在比硬質(zhì)合金能承受的溫度更高的條件下維持良好的紅硬性，并且它能承受的熱沖擊和機(jī)械沖擊更好。同氧化鋁相比它的主要缺點(diǎn)是加工鋼件時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性沒(méi)有氧化鋁好。盡管如此，氮化硅能以線速度每分鐘435米干式加工灰鑄鐵，氮化硅通常被用于加工這樣的工件。雖然使用陶瓷刀具金屬切除率能很高，但應(yīng)用必須是正確的。舉例講，陶瓷刀具加工鋁并不好，但加工灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬硬鋼和某些未淬硬鋼以及耐熱合金等效果很好。但是即使是

13、在這些材料里，用得是否成功取決于刃口修磨、刀具對(duì)工件的表現(xiàn)、機(jī)床和夾具的穩(wěn)定性、使用正確的操作和優(yōu)化的加工參數(shù)。CBN，硬度排在金剛石之后。CBN是一種僅次于金剛石的極硬的刀具材料，通常材料硬度大于洛氏硬度48時(shí)工作最好（加工軟材料時(shí)CBN磨損很快）。溫度高到攝氏2000度是還有極佳的紅硬性。雖然和硬質(zhì)合金相比更脆且導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性低于陶瓷，但它有比陶瓷刀具更高的沖擊強(qiáng)度和抗破裂性而且對(duì)于剛性較低的機(jī)床也能切削硬金屬。更進(jìn)一步，恰當(dāng)?shù)?/p>