干式切削中的刀具

　　干切削对刀具有更高的要求，如刀具的材料、刀具的结构以及刀具涂层。

　　在传统的切削加工中，湿切削中的切削液占有重要的地位，但也存在着许多弊端。例如，维持一个大型的切削液系统需花费很多资金，同时需要定期添加防腐剂，更换切削液等，因而增加了许多费用，其费用比例已占总生产成本的15%～17%，而刀具成本通常只占总成本的2%～5%。加之由于切削液中的有害物质，对工人的健康造成危害，造成环境污染等。所以，它的使用带来了越来越多的问题。从这些方面来说，干切削具有更多优势。

　　干切削中的刀具应有更优异的耐高温性能（热硬性）和耐磨性能，目前的刀具材料中，如新型硬质合金、陶瓷、CBN和PCBN等有足够的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。而且，现代切削刀具材料应用于高速加工时更适合干切削。像CBN和先进的硬质合金材质等级，尤其是有涂层保护的刀具材料，在高速高温下不使用切削液实际上切得更有效率和寿命。
干切削对刀具的要求

　　干切削的刀具材料必须要有优良的热硬性和耐磨性，以可有效地承受切削过程的高温；较低的摩擦系数，以可降低刀具与切屑与工件表面之间的摩擦抑制切削温度的上升；较高的强度和耐冲击性能，以可承受更大的切削力和更差的切削条件。要实现干切削，刀具材料有高的耐热性能（热硬性）和耐磨性能尤为必须。目前立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）、金刚石、聚晶金刚石（PCD）、陶瓷（A12O3、Si3N4）、金属陶瓷（CERAMIC）、超细晶粒硬质合金和硬质合金涂层等刀具材料已广泛用于干切削之中。伊斯卡近两年开发了众多可用于干切削的刀具材料：IB90及IB85，CBN含量高达85%和90%，刀片的耐磨性和韧性高，能应对断续切削所带来的震动，推荐用于铸铁的高速切削及淬硬钢的断续切削及粗加工。低CBN含量的牌号，IB55，IB50，CBN含量为50%和55%，更适合于半精加工及精加工。IB10H属于超细晶粒的CBN，耐磨性和韧性更高，用于高速连续切削，可获得高的表面质量；IB20H细晶粒及中等晶粒CBN，用于连续-轻微断续切削加工；还有IB10HC、IB25HC和IB25HA涂覆TiN、Ti(C,N,O)和Ti(C,N)，应用于各种对应的场合。

　　特殊的刀具涂层

　　对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。在有强韧的刀具基体表面涂覆耐热和耐磨性能都很高的材料，使其在切削过程中在刀具与切屑之间增加了一道隔热屏障，阻止热量传递到刀具基体减小刀具磨损和产生的热量，并降低刀具/工件表面之间的摩擦系数，起到一定的润滑作用，所以涂层刀具最适宜于干切削。比如A12O3，是氧化铝基陶瓷的基本成分，A12O3涂层具有良好的力学性能，极好的热硬性和化学稳定性，因此，A12O3涂层刀片具有良好的抗月牙洼磨损能力，较低的热导率，随着温度升高其热导率降低，这种特性在切削加工中，可阻碍切削热传到刀具的切削刃，防止切削刃受热发生塑性变形所导致突然失效，伊斯卡通过中温化学涂层（MTCVD）的α-TEC，优化A12O3中有良好的氧化稳定性和高的热稳定性的α相，改进A12O3多层涂层。

　　一般来说，涂层分两大类：一类是硬涂层，即在表面上涂TiN、TiC、TiCN、TiA1N、A12O3、CBN、金刚石、类金刚石DLC、纳米材料等涂层，这类涂层刀具涂层硬度高，耐磨性好；另一类是“软”涂层，这类涂硫族化合物M0S2或WS2或TaS2等减摩涂层,显著降低摩擦系数，这类涂层刀具也称“自润滑刀具”，此种涂层刀具在一定程度上弥补了无切削液的润滑作用，抵制切削温度上升，很适合干切削。伊斯卡的IC908、IC907、IC903属于硬涂层，它们采用具有良好抗机械冲击和热冲击性能的超细晶粒硬质合金作为基体，通过具有更低摩擦系数的PVD涂层工艺涂覆耐高温材料TiAlN，抗氧化温度高，在切削时会产生TiAlN膜，具有较好的抗氧化性能，开始氧化温度为700℃～800℃，高于TiC、TiN等涂层的氧化温度。TiAlN在高温时比TiN硬度高，热稳定性好，其高温时产生的氧化膜。可改善刀具与工件/切屑的摩擦，减少热量的产生，此外，TiAlN涂层的热导率也低于TiN等涂层，从而起到隔热作用，使刀具在干切削时能承受更高的温度。PVD-TiAlN涂层，硬度与TiCN、TiN相当，而热稳定性温度比TiCN和TiN高，达到1450℃。这种TiAlN涂层随A1含量的提高，其硬度更高，抗高温断裂性更强，有很高的硬度和耐磨性能,而氧化温度不变。

　　近两年来，伊斯卡又采用超薄TiN和TiAlN对刀具进行交替涂覆，所涂覆的刀具具有粘附力强，耐热性高和抗磨损性好等特性,聚集了TiN、TiAlN以及TiNC等涂层的优点，然后再用涂层后处理技术SUMO-TEC，进一步提高韧性和耐磨性，降低表面摩擦系数，使得切削区域温度更低，抗崩刃性及抗积屑瘤性更佳，从而在加工绝大多数被加工材料时均能获得更可靠持久的刀具寿命，刀片耐用度增加了20%～280%。

　　刀具结构的特殊设计

　　在刀具几何结构方面，干切削刀具设计应力求遵循“低切削温度”设计原则，刀具结构设计必须考虑使加工过程中产生的热量尽可能少，也就是说刀具结构应力求做到低切削力及低摩擦。通常的刀具不能适应干切削，为此，干切削加工应优化刀具几何参数，即要求刀具具有较大的前角，并配合适宜的切削刃形状，如伊斯卡各种铣削刀片的-PDR和-PDR HM槽型，采用零度小菱刃和双正前角设计，即减小了切削力又加强了刃口的强度和容热性能。

　　为减少切削热，伊斯卡在车刀片、槽刀片和铣刀片前刀面上设置加强棱，可以在接触区形成鳞状切削面，刀具与切屑的接触面积大大减小，绝大部分热量被切屑带走，切削温度比普通刀片大大降低，同时也增大了剪切角，使刀具寿命显著提高。此外，考虑刀具表面的最大润滑性，防止积屑瘤的产生，伊斯卡率先对刀体进行了硬镍渡层和含Ti渡层，大大提高了刀体表面的硬度和润滑性。刀具的排屑槽形轮廓也需考虑“低切削温度”设计原则，保证低摩擦切屑的流动以减少加工中刀具与切屑间的摩擦，使排屑方便快捷，减少热量堆积，为此，伊斯卡在铣刀和槽刀领域采用立装刀片结构，避免排屑受到阻碍并增大刀体的排屑空间。

　　干切削的未来

　　干切削加工不仅涉及到刀具材料、刀具涂层、而且还涉及到刀具几何结构、刀柄结构、加工机床、切削用量、加工方式等各个方面。这需要研发新型刀具材料，并注意刀具材料与工件材料的合理搭配以及干切削时防止对刀具材料与工件材料的扩散、粘结。

　　新型刀具材料研究主要集中在超硬刀具材料，金属陶瓷、陶瓷、涂层、性能优异的高速钢和硬质合金等方面。伊斯卡尤其重视涂层刀具的研发，因涂层刀具综合了高的硬度及耐磨性、高的耐热性、高的韧性、高的抗粘结性能、高的化学稳定性和低的摩擦系数，干切削技术的发展在很大程度上依赖于刀具涂层技术的开发。

　　除了研究刀具材料的硬度、韧性、热稳定性问题外，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、性能等。刀具几何参数设计，刀片形状及几何参数的合理确定，对充分发挥刀具干切削性能非常重要，所以伊斯卡也不断的研发强度更高的刀片形状和更牢靠的刀片夹紧方式；考虑刀体质量的分布调整的合理，使得刀体膨胀均匀等等。对几何参数而言，我们强调小切削力低切削温度原则。

　　干切削是面向环境清洁的生产理念的具体体现，它不仅降低了生产成本，促进了刀具技术的进步，更带来了一种崭新的绿色制造技术，是制造业终将追求的目标。

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