干式切削及其刀具技术水压机

干式切削及其刀具技术

1 前言 切削液通常是大多数机加工中不可缺少的生产要素之一，对保证加工精度、提高表面质量和生产效率具有重要作用。随着全球环境意识的增强以及环保法规的要求越来越严格，切削液对环境的负面作用也越来越明显。据统计，二十年前，切削液的费用不到工件成本的3%左右，目前，在高生产率的生产企业，切削液的供给、保养及回收处理费用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具费用仅占2%-5%。在与切削液有关的总费用中，有22%左右是切削液的处理费用。据估计，如果20%的切削加工采用干式切削加工，总的制造成本可降低1.6%。对环境无污染的绿色制造被认为是可持续发展的现代制造业模式。而在加工过程中不用任何切削液的干切削正是控制环境污染源头的一项绿色制造工艺，它可获得洁净、无污染的切屑，省去了切削液及其处理等大量费用，可进一步降低生产成本3。因此，未来切削加工的方向是不用或用尽量少的切削液。随着耐高温刀具材料和涂层技术的发展，使得干加工在机械制造领域变为可能。干切削(DryCutting)技术就是在这样的历史背景下应运而生，并从九十年代中期以来迅速发展起来的，其发展历史至今不过十年，是先进制造技术的一个前沿研究课题。

2 干切削技术干式切削是一种在加工过程中不使用切削液的加工方法。干切削不是简单地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品质量、高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性，这就需要用性能优良的干切削刀具、机床以及辅助设施替代传统切削中切削液的作用，来实现真正意义上的干切削。首先，要了解切削液在传统切削过程中的作用，一般切削液有三个主要作用:1)冷却作用，带走切削产生的热量，减少刀具磨损，防止工件表面氧化;2)润滑作用，减小摩擦，降低切削力，保证切削顺畅;3)排屑作用，迅速带走工件表面的切屑，并防止切屑划伤工件表面。但从环境保护方面考虑，切削液的负面效应也愈加明显，主要表现在以下几个方面:1)加工过程中产生的高温使切削液形成雾状挥发，污染环境并威胁操作者的健康;2)某些切削液及粘带该切削液的切屑必须作为有毒有害材料处理，处理费用非常高;3)切削液的渗漏、溢出对安全生产有很大影响;4)切削液的添加剂(如硫、氯等)会给操作者的健康造成危害并影响加工质量。另外，对切削过程的大量研究也表明了切削液传统的冷却、润滑和排屑等作用在很多加工过程中尤其是高速切削中得不到充分而有效的发挥。因此，人们试图不用或少用切削液来改变这种状况，以适应清洁生产工艺和减小生产成本的要求。干切削加工技术就是在这种情况下产生的一种先进加工方法。采用干切削技术不仅可以减少切削液的环境污染，改善操作者的工作条件，而且省去了切削液的相关费用，降低了切屑回收处理的成本。干切削技术对机床和刀具技术提出了更高的要求。近年来工业发达国家非常重视干式切削研究。干式切削加工这种新型加工方法是未来金属切削加工的发展趋势之一。

3 干切削技术研究的现状干切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际生产工程研究会(CIRP)年会上，德国Aachen工业大学的F.Klocke教授作了“干切削”的主题报告;1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B.P.Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告，干切削技术已经在各国工业界和学术界引起广泛的关注。目前包括欧洲、美国和日本等工业发达国家，非常重视干切削的研究，干切削技术已经成功应用到了生产领域，这与这些国家的工业基础雄厚和环保法规特别严格有一定的关系。其中德国企业尤为普遍，在大批量生产中，已有10%-15%的加工采用干切削技术，并且取得了良好的经济效益，世界许多知名的机床厂商在他们的产品目录中都有干切削机床加工中心。日本在干切削方面也进行了大量研究，最近他们已开发成功几种不使用切削液的干式加工中心。在其中的一种机床上，装有液氮冷却的干切削系统，从空气中提取高纯度氮气。在常温下以5-6个大气压的压力将液氮送往切削区，可顺利实现干切削。

我国干切削技术的研究也已起步。成都工具研究所、山东工业大学和清华大学等单位对超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、金刚石等)及刀具涂层技术进行过系统的研究，并取得了不少的研究成果。我国陶瓷刀具目前已形成了一定的生产能力，这些都为干切削技术的研究与应用提供了初步的技术基础。北京机床研究所开发成功的KT系列加工中心能实现高速干切削。但总的来说，我国在干切削理论研究方面和国外还存在较大的差距，在工业中的应用规模更小，有待于我们今后加快研究与推广应用。

4 干切削的刀具技术干切削技术是一项庞大的系统工程，需要从刀具技术、机床结构和工艺过程等各方面采取一系列的措施。本文将重点介绍干切削的刀具技术。

设计干式切削刀具时，不仅要选择适用的刀具材料和采用的涂层，而且应当综合考虑刀具材料、刀具涂层和刀具几何形状之间的相互兼顾和优化。不同的切削加工方式对刀具设计提出了不同要求，干式切削刀具必须满足以下条件:1)刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性;2)切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小;3)刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热;4)刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。下面分别从刀具材料、涂层和几何形状三个方面讨论。

采用新型的刀具材料 采用涂层技术 刀具几何形状设计

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