干切削的优势与应用(一)
仅仅20年前，切削液还是比较便宜的，且占多数加工过程的比重小于3%。所以很少有机械加工厂对它们关注很多。在那以后，随着时间的推移，发生了戏剧性的变化：如今的切削液费用估计达每年几十亿美元，且占生产成本比重高达15%。现在，机加工行业无时不刻都在为他们的切削液担忧。
切削液，尤其是那些含油的切削液，已成为巨大的负担。不管某种切削液有多么安全和环保，政府法令仍将要求你从倾倒到池里的那一刻起就进行特殊处理。即使当地政府允许你从桶中倾倒清洁的不含油的合成液到排水沟，一旦它同在机床里夹杂的油和金属碎屑混合，它就变成一种受控的工业废料。不仅美国环境保护局管理这种混合物的处理，而且许多州和地方政府也已把它们作为有害废物进行分类，如果它们含油和某些合金，更要加强严格控制。
因为很多高速加工和切削液喷嘴产生油雾或工人能呼吸到的气溶胶，政府机构还限制空气里切削油雾的允许含量。环境保护局已经计划出台更严格的针对 控制这些空气里微粒的标准，进一步提高机加工企业的计划成本和责任。职业安全和健康管理局也正在考虑一个咨询委员会推荐通过一个最大值到0.5mg/m3 和作用水平到0.25mg/m3的法令，来限制较低的切削液气雾允许暴露量。
维护、记录存档和遵循现行和计划的规定所产生的成本正迫使切削液价格迅速上涨。大型工厂支付从几万到几十万的资金来维护切削液，只要有可能，就 安装和使用合适的附件和油雾收集器以及切屑、碎屑和用过的切削液的处理，来推迟它们的处理。其结果是，很多机加工企业正在就通过干切削来避免费用和伴随切 削液产生的副作用展开讨论。
虽然大多数工厂可能承认有取消切削液的愿望，但他们不能确定能否做得到。他们相信，要获得更高的速度和切削更硬的材料，他们必须使用切削液来维 持竞争力。很多从湿式加工转变到干加工的可见成本也很高。但如今都不成为问题。实际上，在很多加工中，常规操作应该是干加工。再者，干车削硬材料和高速干 铣削不仅是可行的，而且有利可图。其技巧是正确集成刀具、机床和切削技术。
有害无益的切削液
更多采用干切削的最大障碍之一是切削液对于取得较好光洁度和更长刀具寿命是必不可少的传统认识。虽然现实中切削液对于许多加工仍然是必要的，但是研究表明，有了现代切削刀具材料和当今更高的切削速度，并非一定要使用切削液。先进的硬质合金材质牌号，尤其是有涂层保护的，在高速高温下不使用切削液实际上切削更有效率。实际上，在断续切削时，切削区温度越高，越不适合使用切削液。
这种似乎与直觉相反的趋势原因在于：切削区温度变得非常高，通常超过1000℃，尤其是在高速切削和硬材料切削时。举例来说，假定切削液能克服铣刀高速旋转产生的离心力，切削液在到达切削区之前早已汽化，对那里几乎没有冷却作用。
结果是有一个在当刀片切入切出时产生先天的温度波动更明显的区别。随着刀具的旋转，当刀片切出时冷却，然后在切入时再一次被加热。虽然在干切削时也发生加热和冷却循环，但是当有切削液时温度波动更大。随之发生的热冲击会在刀片上产生应力，并会使其过早破裂。
相似的结果也在车削时发生。譬如当在切削速度高于130m/min时切削碳钢，暴露在冷却液里的未涂层硬质合金刀片能承受显着的热冲击少于40 秒。这种冲击通过轻微增加前刀面磨损和剧烈的后刀面磨损，显着缩短刀具寿命。因为大多数车削加工少于40秒，对于刀具寿命来说，干车削通常更可取。
另一方面，在钻削时，为了提供润滑和把切屑从孔里冲出来，切削液通常是必须的。没有切削液，切屑会堵在孔里，而且平均表面粗糙度Ra是湿式加工 的两倍。切削液通过润滑边缘碰到孔壁的钻尖，也能降低需要的加工扭矩。虽然涂层钻头在某种程度上会增加切削液的润滑效果，但是，降低切削力的涂层最可能的 趋势是把摩擦降到最低。
因为还没有用于预测切削液效果和性能的科学模型，是否采用干切削取决于具体的加工案例。润滑液通常针对低速加工、难加工材料和对表面光洁度有要 求的加工场合，而冷却能力强的切削液会提高高速加工、易切削材料、简单加工、积屑瘤问题和紧尺寸公差加工的性能。然而，很多时候，切削液提供的额外性能并 不值得额外的开销。在越来越多的加工中，切削液简直是不必要的或有害的，因为现代切削刀具适合更高的温度，而且压缩空气能从切削区域带走热切屑。
用涂层处理热量
涂层通常是当今不再需要切削液的另一个原因。它们通过抑制从切削区到刀片或刀具的热传递来控制温度波动。涂层的作用就像热屏障，因为它有比刀具 基体和工件材料低很多的热导性。因此涂层刀片和刀具吸收较少的热量，能承受更高的切削温度，这意味着车削和铣削时，可在不牺牲刀具寿命的前提下进行更高速 的切削。
厚度范围在2～18μm的涂层在刀具性能里扮演着重要角色。因为薄涂层比厚涂层在快速冷却和加热过程中引起应力更低，并且不易破裂。对于断续切 削，这个厚度范围较薄的一端承受温度波动的能力更佳。在相同的应力下，厚涂层在加热或冷却太快时容易破裂。因此，用薄涂层刀片进行干加工通常可以延长刀具 寿命达40%。
这是为什么圆刀片和铣刀片通常采用物理气相沉积(PVD)的一个重要原因。和相对应的化学气相沉积(CVD)涂层相比，PVD涂层更薄，粘着力更佳。除了更薄以外，它们的沉积温度也要低很多。所以在车削和铣削刀具中，更多使用锋利的切削刃和大的正前角。
虽然氮化钛(TiN)占到所有涂层刀具的80%，但氮铝化钛(TiAlN)作为针对高速精加工的最佳PVD涂层出现了。在连续高温切削（如高速 车削）时，TiAlN超过TiN性能的3倍。在干铣削和小直径深孔钻削时，由于切削液很难渗透，热应力很高，TiAlN也比TiN胜出很多。
在相同切削温度下，TiAlN比TiN更硬，它是目前热稳定性和抗化学磨损能力最好的PVD涂层。其硬度高达Hv3500，而且工作温度高达 1470F°。虽然没有人知道为什么会如此，但是科学家猜想，这些特性来自一种当某些高温下涂层表面氧化时在切屑-刀具接触面形成的非晶质氧化铝膜。
应用更薄的多层PVD涂层使其更适合于干切削的研究正在进行之中。这种沉积工艺建立一种由数百层仅几纳米厚的涂层构成。相反，传统PVD工艺由几层微米级的涂层沉积而成。
尽管对PVD涂层有着强烈的兴趣，与之相对应的CVD涂层对于大多数黑色金属工件材料来说一直很受欢迎。CVD工艺很高的沉积温度有助于粘着并 且允许基体生成强化刃口和帮助基体抵抗变形的富钴区。由于它们比PVD涂层更厚，因此需要对切削刃更重的钝化来防止像墙角厚层涂料的剥落那样的开裂。这种 设计可提高耐磨性，且能用超过0.076mm/r～0.89mm/r的进给量进行加工。 CVD也是唯一使用已知最佳抗热和氧化磨损的氧化铝涂层沉积工艺。氧化铝导热差，因此隔离切屑形成过程中产生的热量并迫使热量流入切屑。使得它成为硬质合金里最适合干加工的优异的CVD涂层。在高速下它保护基体，是抗磨料磨损和月牙洼磨损的最佳涂层。
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