高速切削——实现绿色切削的途径

　　随着人们环保意识的进步及加进世贸组织后发达国家针对我国设置的绿色壁垒，客观上要求机械产品在制造时尽可能少地消耗能源和污染环境。而机械切削（以下简称切削）是机械制造中消耗能源和污染环境的最大来源，所以人们有针对性地提出了绿色切削(绿色制造)的概念。

　　所谓绿色切削就是指消耗尽可能少的刀具材料、切削液、加工时间和电力，尽可能少地污染环境，来达到某种特定的切削目的一种切削方式。由于高速切削的特点决定了高速切削可以节省切削液、刀具材料、切削工时，从而极大限度地节约自然资源，极大限度地减少对环境的污染，保护环境，进步生产率和产品质量，达到“绿色切削”的目的。
    2．高速切削的特点
    （1）切削力小、振动频率低
    切削形成的过程分为挤压塑性变形和撕裂两个阶段，工件受切削力和切削热影响而发生塑性变形主要在这个阶段。由此可知：切削速度越高，塑性变形的时间越短，剪切变形区域越窄，剪切角越大，变形因子越小，切屑流出速度越快（切屑中的热量占切削热的80%），传进工件和刀具中的热量越小，所以高速切削可使切削变形均匀减少30%～40%以上，这十分适合于刚性较差和薄壁零件的切削加工。
    从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动（即强迫振动）的振幅；转速的进步使切削系统的工作频率阔别机床的底阶固有频率，避免共振的发生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，进步加工质量。
    （2）机床本身特征
    高速切削机床应用了目前最先进的技术，是集机、光、电、气、液压为一体的、采用了目前所知的最适合机床的复合材料所制成的尖端技术产品。所以高速切削机床除主轴转速高外，相对于普通数控机床，其自动化程度（又称智能化）更高、功率更大、切削材料硬度较高（可高速切削HRC50～54甚至HRC60的材料）；精度更高（达到0.001mm甚至0.0001mm）、切削和进给速度高（是普通数控机床的几倍甚至几十倍）；由于广泛采用伺服电机，其传动系统机械结构简化且传动可靠；采用复合材料或人造大理石为基座或工作台（如瑞士MIKRON的UCP600）使机床刚性得到明显进步，这些都使零件的尺寸精度得到极大进步。
    （3）使用先进的刀具
    ①涂层硬质合金刀具
    TiC涂层：具有很高的硬度与耐磨性，抗氧化性也较好，切削时能形成氧化钛薄膜，从而降低了摩擦系数，减小了刀具磨损，使切削速度进步40%以上，比较适合高速切削。TiC涂层与钢的粘结温度高，表面晶粒很细，切削时很少产生积屑瘤，这比较适合于高速精密车削。缺点是线膨胀系数与基体差别较大，因此高速车削或铣削硬材料、高温合金或带夹杂物工件时，涂层易崩裂。
    TiN涂层：在高温时能形成氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好、有效地降低了摩擦力与切削温度，TiN涂层刀片抗月牙洼及后刀面磨损能力比TiC涂层刀片强，最适合切削钢与易粘刀的材料，使加工表面粗糙度减小，切削速度进步。此外TiN涂层抗碎裂性与抗热震性能也较好，这很适合于高速切削。但其与基体结合强度低于TiC涂层，且涂层厚时易剥落，一般用于高速车削。
    TiC/TiN复合涂层：兼具两种涂层的优点，先涂TiC，再涂TiN，使结合强度进步，摩擦力、切削力、切削温度降低，对高速切削中的粗、精加工都很好。如株硬团体的CN15、CN25（精）、CN35（粗）等。
    TiC/AL2O3复合涂层：先涂TiC，再涂AL2O3。先涂TiC使涂层粘结牢固，AL2O3使涂层具有陶瓷的耐磨性、良好的化学稳定性和抗氧化性。该复合刀片能象陶瓷刀一样高速切削，同时又避免了陶瓷的脆性、易崩刃的特点，如株硬团体的CA15。该涂层刀具很适合于高速切削，特别是高速车削。
    涂层刀具具有省珍贵材料、易制造、使用时间长等特点，既符合环保的需要又为企业增加了经济效益，所以被广泛推荐使用。
    ②陶瓷刀具
    该材料以氧化铝为主要成分，在高温下烧结而成。由于采用了新工艺使其纯度进步、晶粒细化，应用热压工艺、添加晶须等，克服了陶瓷的热冲击性差、强度与韧性低、脆性大的题目，能胜任难加工材料的高速切削，具有广阔的发展远景。添加了碳化物（主要是TiC）后可进步抗热裂纹能力，可高速车削HRC60～62的淬硬工具钢、铬镍钼粉末冶金等“C”形屑塑性材料。氮化硅陶瓷（以氮化硅为主要成分）刀具能对硬度＜65HRC的难加工材料如淬硬钢、冷硬铸铁等进行高速精铣、精车，实现以车带磨、以铣带磨，从而改进传统的机械加工工艺，进步加工效率，节约工时及电力；对有色金属精车，其表面粗糙度可达Ra0.04～0.16μm。陶瓷刀具切削速度可达900m/min，进给速度可达10m/min。
    氮化硅陶瓷刀具的耐热性和抗高温氧化性特别好，即使在1200～1450℃的切削温度时仍能保持一定的硬度和强度进行长时间切削。在一定范围内高速车削时，切削温度的升高能改变工件材料的性能，进步陶瓷刀具的韧性，从而减少其破损，所以一般陶瓷刀具均采用干切削。但陶瓷刀具对冲击和振动载荷比较敏感。机床—工件—刀具工艺系统刚性弱是促使陶瓷刀具寿命降低或崩刃的主要原因。所以氮化硅陶瓷刀具只适用于高速切削。
    ③超硬材料刀具
    超硬刀具材料主要指人造金刚石（JR）和立方氮化硼（CBN）。只使用于高速切削高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料。
    （4）采用先进的冷却技术
    ①低温气体冷却
    低温气体冷却技术就是采用液氮或冷气以高压直接喷涂于切削部位，起到冷却作用。
    高速切削时的切削力为传统切削力和变频冲击力双重作用力的结合，而氮气下刀具与切屑及工件间更易产生TiN层，TiN具有减摩作用，所以铣削时，由于摩擦作用所产生的铣削力会减少，所以总切削力也随之下降；气体也更易到达切削部位，达到冷却目的；同时气体无污染且易得到，对环保更有利。
    ②MQL最小油量润滑技术
    MQL技术主要有气雾外部润滑和内部冷却2种，广泛应用于铸铁、钢、铝合金等的钻、铰、攻螺纹、深孔钻削以及高速车、铣等加工过程中。气雾外部润滑是在0.5～0.6MPa的压缩空气（用高压冷却泵产生）中添加少量高性能的润滑油（5～50mL/h），就象是把有限的少量润滑剂“涂到”切削位置上一样，使少量润滑剂得到最充分的利用。与此同时，高压气体起到冷却和辅助断屑作用，以降低刀具温度，防止刀具冷焊。如：德国福鸟（VOGEL）集中润滑系统的MQL微量润滑冷却系统采用（高压冷却泵）强制冷却，属内部冷却方式。
    （5）干式切削技术
    干式切削技术随着陶瓷刀具的发展提出的，出与环保的考虑，完全不用切削液，采用辅助加热装置对工件表面局部加热（如激光加热、导电加热等）至一定温度，以改善材料的可加工性，降低切削力，这有助于干式切削的实现。但该技术对刀具的长时间耐热性（红硬性）提出了要求，所以目前只适用于在高温下可长时间保持强度、硬度的陶瓷刀具。干式切削由于受目前工艺条件、工件材料和加工类型的影响，目前尚不是通用技术。
    3．结语
    综合高速切削的特点，可以看出高速切削可以达到节约刀具材料和切削液，节省劳动力，节约自然资源，减少对环境的污染，是制造业必然的发展方向和绿色切削的实现途径，被公以为21世纪实现制造业可持续发展的关键技术。

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