干切削的优势与应用（二）
先进材料喜欢干加工
虽然涂层材质等级有更好的刀具寿命且在干铣加工时比湿式加工更可靠，但是对于高速加工的要求使切削温度超越硬质合金刀具的经济极限。譬如在 14000r/min和线速度400m/min下干加工灰铸铁，刀具前面的切削区能加热到600～700℃之间。金属切除率同那些用更传统技术铣削铝接 近，但是对于传统切削刀具来说，加工灰铸铁时产生的温度太高。
因此，更高的切削速度将要求使用具有更高红硬性和更耐磨的切削刀具材料。金属陶瓷、立方氮化硼（CBN）和两种陶瓷（如今，“陶瓷”这一术语包 括氧化铝和氮化硅两种陶瓷，而不像过去那样仅指氧化铝陶瓷）很适合这种要求。聚晶金刚石（PCD）也是一种适合干切削的刀具材料（虽然不适合加工黑色金 属）。然而，所有这些材料虽然具有很好的红硬性和抗磨料磨损性能，但其缺点是具有较高的易碎性。
金属陶瓷是一种先进的硬质合金材料。与传统的硬质合金相比，金属陶瓷能在更高的温度下工作，但其耐冲击性、中等到重载下的韧性以及小进给和大进 给时的强度不如硬质合金。然而，在轻载加工时，金属陶瓷与传统硬质合金具有大致相等的刃口强度，而且在更高的切削速度下承受温度和磨损更好，持续时间更长 且表面光洁度更佳。对于延展性好和粘性高的材料，在抗积屑瘤的形成和生成良好表面光洁度方面，金属陶瓷的表现也更好。
更好的红硬性来自组成刀具材料的钛化物。金属陶瓷是陶瓷和金属的首字母缩略语，是一种包含硬的钛基化合物(碳化钛、碳氮化钛和氮化钛)的烧结碳 化物，它以镍或镍钼作为粘接剂，而不像制造传统硬质合金那样用钴作为粘接剂。由于金属粘接剂的温度限制，典型的金属陶瓷材质牌号的红硬性不能用于加工硬度 超过40HRC的工件材料。
与涂层和不涂层硬质合金相比，金属陶瓷对破损和进给引起的应力要敏感得多。因此，它在要求高精度和良好光洁度的高切削速度、低进给率、小切深加 工中表现最佳。理想的加工操作是那些切削时没有严重断续的情况。车削碳钢时，进给量的上限通常是0.63mm/r，并且也能在高主轴转速和合适的进给量下 进行普通铣削加工。
如果保持在这些加工条件限制内，在大批量生产情况下，金属陶瓷能长时间保持锋利的切削刃。虽然金属陶瓷能在传统切削速度和进给率下提高刀具寿命 和表面光洁度（与硬质合金相比）而值得使用，但它也能通过提高切削速度（加工合金钢时可提高20%，加工碳钢、不锈钢和球墨铸铁时可提高50%）而提高生 产率。
陶瓷是刀具材料的一个分支。陶瓷切削刀具同它们相对应的金属陶瓷相似，对工件材料的化学稳定性好，刀具寿命长，而且能在高速下切削。纯氧化铝有 极高的热阻抗，但强度和韧性较低，如果工况不佳的话，较低的强度和韧性的组合会使它容易破损。为了降低其破裂敏感性，刀具制造商或者添加少量氧化锆来提高 韧性，或者掺入20%～40%的碳化钛和氮化钛来提高其抗冲击性和热导性。但是，其韧性仍然比硬质合金低得多。
另一种提高氧化铝陶瓷韧性的方法是加入用于增韧补强的碳化硅晶须。虽然这些晶须典型的平均直径只有1μm，长度为20μm，但它们具有很高强度，并能显着增加韧性和抗热冲击性。晶须最多能占到总量的30%。
与氧化铝陶瓷类似，氮化硅陶瓷在比硬质合金能承受的温度更高的条件下维持良好的红硬性，并且承受热冲击和机械冲击的能力更强。与氧化铝陶瓷相 比，它的主要缺点是加工钢件时化学稳定性不如氧化铝好。尽管如此，氮化硅陶瓷刀具能以435m/min的线速度干式加工灰铸铁，氮化硅陶瓷通常被用于加工 此类工件。
虽然使用陶瓷刀具能达到很高的金属切除率，但必须正确地应用。举例来说，陶瓷刀具并不适合加工铝，但其加工灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬 硬钢以及耐热合金的效果很好。但即使加工这些材料时，使用是否成功取决于刃口修磨、刀具对工件的性能、机床和夹具的稳定性、采用正确的操作方法和优化的加 工参数。
CBN是一种硬度仅次于金刚石的超硬刀具材料，通常在加工硬度大于48HRC的材料时效果最好(加工软材料时CBN磨损很快)。CBN在温度高 到2000℃是仍具有极佳的红硬性。虽然CBN比硬质合金更脆，且导热性和化学稳定性低于陶瓷，但它有比陶瓷刀具更高的冲击强度和抗破裂性，而且在刚性较 低的机床上也能切削硬金属。此外，恰当定制的CBN刀具能承受大功率粗加工的切削载荷、断续切削的击打和精加工所需的耐高温和耐磨损性能。
对于指定工序恰当的定制包括机床和夹具的刚性、刃口修磨大到足以防止显微剥落，而且刀具的基体是一种CBN含量高的材质等级。CBN含量高的材 质等级对这些指定工序是必须的，因为它们具有刃口重载条件下高速加工要求的高导热性和韧性以及用于严重断续切削。这些性能使得这种材质等级的刀具材料被用 作粗加工淬硬钢和珠光体灰铸铁。
CBN含量低的材质牌号比CBN含量高的牌号更脆，但它们用于加工淬硬黑色金属时性能更好。它们具有更低的导热性和相对更高的承受高速切削和负 前角所产生热量的抗压强度。更高的切削区温度可以软化工件材料和帮助断屑，而负前角可强化刀具、稳定切削刃、提高刀具寿命，并允许小于0.25mm的切 深。
因为CBN刀具能获得优于0.4μm的表面光洁度并保持±0.012mm的同轴度，干车淬硬工件通常是一种有吸引力的替代肮脏的强化冷却的磨削 加工方案。虽然CBN是一种硬车削和高速铣削特别喜欢的刀具材料，但陶瓷和CBN的应用范围有惊人的重叠，故而有必要用成本－效益分析来决定谁能获得最优 结果。
PCD加工有色金属时表现突出。作为目前最硬的切削刀具材料，合成聚晶金刚石承受磨料磨损的能力最佳。其硬度和耐磨性来自晶体各向异性和金刚石 颗粒之间的牢固结合能够阻止裂纹扩展。把PCD刀头焊到硬质合金刀片上，可以增加强度和抗冲击性，并能延长刀具寿命高达100倍。
然而，其它一些特性使其不适合用于许多加工操作。其中之一是PCD与黑色金属中的铁具有亲合性，由此产生的化学反应使这种刀具材料不适合加工有色金属。另一个受限特性是它无法承受超过600℃的切削区高温，因此PCD不适合切削加工抗拉强度高的工件材料。
尽管如此，PCD在加工有色金属时表现很好，在加工耐磨高硅铝合金时尤为突出。锋利的切削刃和大正前角对于高效剪切这种材料和减小切削力、抑制 积屑瘤非常关键。在加工磨蚀性大的有色金属材料时，PCD表现出很好的化学稳定性和耐磨性，它能保持剪切工件所必须的锋利切削刃。
强化切削刃与减轻加工载荷
尽管自从推出后它们的物理性能提高以及应用领域的发展，由金属陶瓷、陶瓷、CBN、PCD做成的刀具仍然比硬质合金更脆并且不能承受同样大的应力。因此，由它们做成的刀具需设计成能增强支撑和释放应力。
设计这种刀具的一个重要部分是切削刃的刃磨，它可使切削力偏离刀片刃口改变方向传入基体。三种这样的刃口修磨是恰当的：负倒棱、珩磨、珩磨的负 倒棱。负倒棱象切削刃的一个倒角状的平面，它取代薄弱锋利的刀尖。这里刀具设计人员的目标是发现使保证切削刃足够的强度和寿命的最小带宽和角度，因为宽度 和角度增大后刀片得到强化但也增加了切削力。
珩磨用于钝化锋利的切削刃。虽然它们不提供与负倒棱相同的抗微崩刃保护作用，但珩磨对由先进材料制作的小切深小进给以保持最小切削力的精加工刀 片很有效。珩磨也能强化前、后刀面相交处负倒棱的作用。当用陶瓷粗车钢件发生微崩时，珩磨能释放该处的应力、强化刀片而不要加宽负倒棱。
除了指定针对某个加工的最佳刃口修磨，刀具设计人员也必须优化切削角度并能排屑。通过加大后角降低切削力让刀具上的应力减少并降低切削区的温 度。正前角的数值尽可能大，靠更好的剪切作用也减少切削力并加宽卷屑槽空间靠加大排出路径帮助切屑排出，特别是在钻削和螺纹加工时。
保持低的切向切削力的另一种方法是高速切削。在很高主轴转速下的高进给率降低而不是增加对工件的冲击多达75%～90%，这取决于刀具和加工参 数。更进一步，干加工改善切削过程的热稳定性;铣刀比五年前至少有更准确的大小;而且现代铣削和车削机床变得刚性越好足以消除过度的振动。所有这些发展都 支持使用脆但更硬更耐磨的刀具材料。
使用一种能承受高温的刀具的好处之一是切屑形成十分有效。举例来讲，加工铸铁时热量增加切削区材料的塑性并降低它的屈服强度。其结果是金属切除 率比传统粗加工增加3倍。因为进给率高，刀具剪切切屑快以致大部分热留在切屑里而没有时间流向工件并引起扭曲。尽管切削温度很高，但工件的热稳定性更好而 且要比在传统金属切除率条件下更精确。
冲击较小的精加工也使工件、夹具和机床以及在高线速度下以每转更小的进给量使用安装小刀片低密度材料的刀盘的静态变形达到最小。因为支撑工件只 需很小的夹紧力，所以能够简化夹具，不需要一个有加强筋、工件支撑和夹紧元件的复杂夹具系统。结果是机床对箱体零件的各个面进刀更多。
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