干切削加工技术的发展趋势及国内外的研究现状.docx

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1、班 级09 机械 2 班学 号课程设计论文题目 干切削加工技术的发展趋势及国内外的研究现状学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学生姓名徐 善 斌导师姓名史 留 勇海南大学课程论文目录摘要21、干切削技术的研究背景22、切削液的功能和负面影响32.1 、在机械加工中，切削液的三大功能32.2 、在机械加工中，切削液的三大负面影响43、干切削刀具材料研究43.1 、采用新型的刀具材料错误!未定义书签。3.2 、采用涂层技术53.3 、国内外对刀具材料的研究现状54、干切削刀具几何参数的优化设计64.1 、选择大前角0 ，增大后角064.2 、减小主偏角f，增大负刃倾角s64.3 、改良刃具刃

2、口64.4 、控制积屑瘤生长74.5 、减少刀具与工件表面之间的接触面积75、干切削的机床优化设计75.1 、机床结构75.2 、排屑系统85.3 、冷却系统86、干切削的工艺技术错误!未定义书签。6.1 、硬车加工工艺错误!未定义书签。6.2 、液氮冷却加工工艺96.3 、国内外干切削加工工艺的研究现状97、准干切削的原理108、总结和展望119、参考文献124cutting parameters and tool干切削加工技术的发展趋势及国内外的研究现状摘要:文章基于绿色制造技术，介绍了干切削刀具材料的特性，工件材料的特点，和机床的优化设计的机理，准干切削的原理，讨论了切削用量与刀具的参数

3、关系，及先进切削工艺的应用。文章综合国内外的研究进展论述了切削机理和相关先进技术的发展状况，有益于加速我国在干切削加工技术方面的实施.及发展，同时对先进绿色制造技术体系和金属切削理论的发展有着深远意义。关键词：绿色制造；干切削；切削工艺；准干切削Abstract:This article based on Green Manufacturing ,introduced the properties of drycutting tools,the feature of parts materials,the optimized design of machine tools,the princi

4、plesof near dry cutting,and discussed the connection betweenparameters,also the application of advanced cutting technologies.Integrating research progressat home and abroad ,this article discussed the cutting theory and advanced technologydevelopment,contributed to accelerating Chinas implementation

5、 and development of drymachining technology , and had far-reaching significance for advanced green manufacturingtechnology systems and development of the theory of metal cutting.Key words:Green Manufacturing ; dry cutting ;cutting processes;near dry cutting21 世纪生产工程的重要内容之一是面向环境清洁的绿色制造技术，国际生产工程学会一直对生

6、态平衡，环境保护,可持续发展给予充分重视,制造过程导致的环境污染已引起世界各国的重视，环境问题和资源问题是当前和今后相当长一段时间人类社会面临的主要问题。制造业作为创造人类财富的支柱产业，同时又是产生环境问题的主要根源,如何使制造业尽可能少地产生污染,由此产生一个有利于环保的生产加工技术干切削技术，它符合我国 21 世纪的可持续发展战略,对先进制造技术体系和金属切削理论的发展有着深远意义。1、干切削技术的研究背景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

7、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

8、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

9、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。2、切削液的功能和负面影响干切削并不是简单地停止使用切削液就能实现的。必须分析在停用切削液以后，会出现什么问题？应采取什么措施来消除这些不利影响？为此，首先应对切削液在机械加工中的作用和功能有一个全面、深入的认识。2.1、在机械加工中，切削液的三大功能(1)润滑功能当切削液进入切削区以后，它就会渗入到刀具、工件和切屑之间的接触面，形成一层润滑膜。这层润滑膜可减少切削过程的摩擦，减小切削力，减轻切屑与刀具的粘结现象并抑制积屑瘤的产生，有利于改善加工表面技术质量。(2)冷却功能切削过程所消耗的能量

10、90%以上都转化为切削热。切削液能有效地把切削热从机床的加工区迅速带走，从而大大降低机床切削区的温升，提高刀具的耐用度和工件的加工精度。(3)协助排屑与断屑切削液作为高压大流量的冲洗剂，能把细小的切屑冲离工件或刀具，将切屑迅速从机床中排出，以利于提高零件的加工精度和刀具的使用寿命。带状切屑则主要靠刀具的几何结构来实现断屑，但高压切削液对断屑和排屑也起一定的辅助作用。2.2、在机械加工中，切削液的三大负面影响(1)成本高零件的生产成本大幅度提高，在零件加工的总成本中，切削液费用约占 16% ，而刀具的费用只占总成本的 4%。(2)严重污染环境如把未经处理的切削液排入江河湖海，就会污染土地、水源和

11、空气，严重影响动植物的生长，破坏生态环境。(3)危害车间工人健康目前生产中广泛使用的水基切削液含有对人体有害的化学成分。在切削(磨削)过程中，切削液受热挥发形成烟雾，在车间常常弥漫着难闻的异味，会引起操作工人肺部和呼吸道的诸多疾病，人手和切削液直接接触，还会诱发多种皮肤病，直接影响工人健康。进行干切削时，由于缺少了切削液的润滑、冷却和辅助排屑与断屑等作用，因而切削热会急剧增加，机床加工区温度明显上升，刀具耐用度大大降低。要使干切削得以顺利进行，达到或超过湿加工时的加工质量、生产率和刀具耐用度，就必须从刀具、机床和工件各方面采取一系列的措施。因此干切削技术是一项庞大的系统工程，其中最大的难点在于

12、如何提高刀具在干切削中的性能，同时也对机床结构、工件材料及工艺过程等提出了新的要求。3、干切削刀具材料研究能否承受干切削时巨大的热能，是实现干切削的关键。主要措施有：海南大学课程论文3.1、采用新型的刀具材料干切削不仅要求刀具材料有很高的红硬性 和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。图 1 列出了几种刀具材料的硬度与温度的关系。由图可见，陶瓷刀具(Al O ，2 3Si N )、金属陶瓷(Cermet)等材料的硬度在高温3 4下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削。可是这类材料一般较 脆，热韧性不好，不适用于进行断续切削。立为图 1 不同材料硬度与温度

13、的关系氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)、超细晶粒硬质合金等超硬刀具材料则广泛用于干切削。3.2、采用涂层技术对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。涂层刀具分两大类：一类是“硬”涂层刀具，如 TiN、TiC 和 Al O 等徐层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。另一类是“软”涂层2 3刀具，如：MoS 、WS 等涂层刀具，这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系2数很低，只有 0.01 左右，能减小切削力和降低切削温度。切削实验表明，无涂层丝锥只能加工加20 螺孔；用 TiAlN 涂层丝锥时可加工 1000 个螺孔，而 MoS2涂层的丝锥则可加工 4000 个螺孔。

14、高速钢和硬质合金经过 PVD 涂层处理后，可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的 CBN 刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合。.实际上，涂层有类似于冷却液的功能它产生一隔热层，使热不会或很少传入刀具，从而能在较长的时何内保持刀尖的坚硬和锋利。涂层还具有在高速干切削中保持刀具材料不受化学反应的作用。在发展干切削技术过程中， 要特别注意涂层刀具的有效应用。3.3、国内外对刀具材料的研究现状目前，国内外对高速干切削和准干切削进行了广泛而深入的研究，取得了一定成果，这些成果已部分应用与实践中。美国学者开发的纳米涂层（Nanocoating）刀具，可采用多种材料的不同组合（如

15、金属/金属组合、金属陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合，固体润滑剂/金属组合等），以满足不同的功能和性能要求。纳米涂层可使刀具硬度和韧性显著增加，具有犹记得抗摩擦磨损及自润滑性能。日本住友电气工业公司开发了能以较高速度对淬硬钢进行干式切削加工的刀具材料住硼磨料（立方氮化硼磨料工具商品名）BNX10、BNX25。住硼磨料 BNX10 适用于淬硬钢的高速连续干5海南大学课程论文切削。住硼磨料 BNX25，通过优化 CBN 磨粒及含有率，以及采用特殊陶瓷材料作为结合项，提高了耐缺损性和耐月牙洼磨耗性，适用于淬硬钢的高速断续切削加工。我国邓建新等人以 TiB2 为添加剂 Al203.为基体，研制了 Al203/

16、TiB2 陶瓷刀具材料。用该陶瓷刀具对淬硬钢进行高速干切削试验，结果表明，当切削速度大于 120m/min 时，刀具开始表现出高温自润滑性能，自润滑膜的组成为 Al203/TiB2 陶瓷刀具中 TiB2 的氧化物，它能在刀具表面起到固体润滑剂的作用，进而降低降低前刀面的摩擦，减轻刀具的粘着摩擦，提高刀具的耐磨性能， 具有良好的减摩和抗磨作用。杨海东等人利用 YT15 基体的氮化碳薄膜涂层刀具干车削硅铝合金， 刀尖积瘤屑非常小，工件表面粗糙度值较小，刀具的使用寿命远高于硬质合金。4、干切削刀具几何参数的优化设计刀具的几何参数和结构设计必须满足干切削对断屑和排屑的要求。断屑槽在韧性材料加工中对断屑

17、起着很关键的作用。目前在车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量，很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。4.1 、选择大前角0 ，增大后角0选择大前角0 ，增大后角0.可以是刀具锋利，减少刀具与加工便面的摩擦，减少切削力从而减少切削热，降低切削温度；减少刀具磨损。4.2 、减小主偏角f，增大负刃倾角s减小主偏角f 可以使切削刃单位长度上的负荷减小；增大负刃倾角s 可以使参加切削的切削刃长度增加，刀具和切屑之间接触面积减少，这些都可以改善散热，降低切削温度，提高刀具耐用度。4.3 、改良刃具刃口在干切削加工时

18、，细颗粒优质硬质合金刀具和金刚石刀具的切削刃口可做轻微的钝化，以其自身基体的强度来保持刃口的锋利，达到降低切削温度的目的。此外，尽管增大前角和后角有利于保持刀具的锋利，但会降低刀具的强度，为此，常采用 T 形刃带，加强棱刀具。这不但可保持刀具的高性能，而且还可以保证刀具有最佳的使用寿命。4.4 、控制积屑瘤生长考虑到刀具表面的最大润滑性，防止积屑瘤的产生。选择合适的切削速度是控制积屑瘤生长的最有效措施。图 2 为切削某种材料时切削速度和积屑瘤的关系。其次，增大前角，减少进给量， 也可抑制积屑瘤的生长。6海南大学课程论文图 2 切削速度与积屑瘤的关系4.5、减少刀具与工件表面之间的接触面积减少刀

19、具与工件表面之间的接触面积，这可使传入工件和刀具的热量减少，从而减少工件和刀具的热量变形，如钻头应减少倒锥和螺旋角，加宽容屑槽空间也有利于切屑排除；此外，增加前刀面上的断屑台数量，或者是切屑在前刀面上的变形量超大，可以提高切屑能力。5、干切削的机床优化设计5.1 、机床结构干切削对机床结构有特殊的要求。为了便于排屑，干切削机床采用立式主轴和倾斜式床身。工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成将大量热切屑直接送入螺旋排屑槽。采用吸气系统可防止工作台和其它支承部件上热切屑的堆积内置的循环冷气系统用以提高机床工艺系统的热稳定性干切削机床必须有足够的刚性和大的功率, 以满足高速切削的要求。采用立式布局, 床

20、身呈 V 型,角度大于55理想的加工方式是工件在上、刀具在下。干切削机床的基础大件由热膨胀系数小的材料制成。5.2 、排屑系统干切削机床排屑系统的设 计也是经过专门安排的, 总的原则是尽可能依靠重力排屑。如德国Hueller 公司制造的 Specht500t 型加工中心, 就是专门为干式加工设计的。该机床上装有一根可围绕水平轴转动的工件更换器, 利用这种工件更换器, 工件在装料侧处于正常位置, 而在工作间7海南大学课程论文里则是自上而下悬挂着的。这样, 切屑从上面自然落下, 同时由切屑传送机通过吸引作用将其运走。产生灰尘的加工区应和机床的主轴部件及液压、电气系统严加隔离。此外还可以通过对这些部

21、件施加微压，以防止灰尘的侵入。5.3 、冷却系统因为不再象常规机床那样采用喷射切削液方式进行散热。所以在热性能方面也对机床提出了更高的要求。用于干切削机床热设计是极为严格的。如 Specht500t 型加工中心采用的是完全热对称结构。此外, 防尘设计也是干切削机床必须考虑的, 因为干切削铸铁等脆性材料时容易产生悬浮颗粒, 所以机床须加装真空吸尘装置, 并对关键部位进行密封。6、干切削的工艺技术工件材料在很大程度上决定了实施干切削的可能性。为了减少高温下刀具和工件之间材料的扩散和粘结，应特别注意刀具材料与工件之间的合理搭配。例如，金刚石(碳元素 C)与铁元素有很强的化学亲合力，故金刚石刀具虽然很

22、硬，但不宜于用来加工钢铁工件；钛合金和某些高温合金中有钛元素，因此也不能用含钛的涂层刀具进行干切削。又如 PCBN 刀具能够对淬硬钢、冷硬铸铁和经过表面热喷涂的硬质工件材料进行干切削，而在加工中、低硬度的工件时，其刀具寿命还不及普通硬质合金的寿命高。图 3 激光辅助干切削8海南大学课程论文6.1 、硬车加工工艺硬车是一种“以车代磨”的新工艺，用于某些不适宜进行磨削的回转休零件的加工，是一种高效的干切削技术。在对氮化硅(Si N )工件进行3 4硬车时由于该材料有极高的抗拉强度，使任何刀具都很快破损。可采用激光辅助切削，用激光图 4 用液氮冷却刀具束对工件切削区进行预热(见图 3)，使工件材料局

23、部软化(其抗拉强度由 750MPa 降至 400MPa)，则可减小切削阻力 30%70% ，刀具磨损可降低 80%左右，干切削过程中的振动也大为减小大大提高了材料切除率使干切削得以顺利进行。6.2 、液氮冷却加工工艺钛铝钒合金(Ti6Al4V)和反应烧结氮化硅(RBSN)是典型的难加工材料，其传热系数很小，干加工中产生大量的热，使刀具材料发生化学分解，刀具很决磨损，图 4 所示为用液氮冷却刀具加工这类材料的新方法。在车刀前刀面上倒装了个金属帽状物，其内腔与刀片的上表面共同组成一个密闭室。帽状物上有液氮的入口和出口。在干切削过程中，液氮不断在密闭室中流动，吸收刀片上的切削热，使刀具不产生过高的温

24、升始终保持良好的切削性能，顺利实现干切削。液氮是一种很容易获得的原料价格便宜还可以反复使用。6.3 、 国内外干切削加工工艺的研究现状目前，国内外对干切削工艺技术进行了广泛而深入的研究，并取得了一定成果，这些成果已部分应用与实践中。在高速干切削方面, 美国 Makino 公司提出/ 红月牙 0(RedCrescent) 干切工艺。其机理是由于切削速度很高, 产生的热量聚集于刀具前部, 使切削区附近工件材料达到红热状态, 导致屈服强度明显下降,从而提高材料去除率。实现/ 红月牙干切工艺的关键在刀具, 目前主要采用 PCBN 和陶瓷等刀具来实现这种工艺。日本 Syun-ichi.Yamagata

25、研究开发了刚才的干事挤压丝锥，与普通的的湿式挤压丝锥相比， 可显著提高丝锥寿命。如普通挤压丝锥加工冷却扎钢板上 M40.7 的通孔螺纹，加工约 7，000 个孔时，丝锥切小部分便产生磨损与粘结，使切削无法继续进行；而采用干式挤压丝锥加工 50,000 个以上的孔也不会产生粘结和显著的磨损，丝锥还可以继续使用。结果表明，干式挤压丝锥与普9海南大学课程论文通挤压丝锥相比，刀具寿命可提高几倍或十倍。德国 Guhringg 公司对发动机中的铝制零件进行了高速干钻削加工研究，取得了显著的经济效益，并树立了良好的企业环保现象。此外，德国、芬兰、英国等对高速齿轮干滚削、干式镗削等加工方式也进行了研究，并在生

26、产中得到了应用，取得了良好效果。从加工方法上看, 车削、铣削、滚齿等加工应用干切削较多。日本坚藤铁工所开发的 KC250H 型干式滚齿机和硬质合金滚刀, 在冷风冷却、 量润滑剂润滑的条件下进行了高速滚齿加工, 与传统的湿式滚齿机(KA220 型) 和高速钢滚刀加工相比, 加工速度提高了 2.3 倍, 加工齿轮精度也得到明显提高。在我国，应用干切削加工的主要是传统的铸铁铣削加工，而对其他切削加工的干事加工方法的研究和应用还很不够，在思想上不能很快接受，并存在着很大的思维惯性阻力。当然，并不是说马上就淘汰切削液，对钻削来说，目前切削液还是需要的，另外，对低速切削难加工材料以及表面粗糙度高的地方，暂

27、时还离不开切削液，只是对于切削液带来的环境污染，厂家需要花高额的治理费用。随着高速干切削应用范围日益广泛，刀具材料和结构不断发展，机床性能的不断完善，高速干切削的应用在不久的将来将会越来越广泛。7、准干切削的原理纯粹的干切削有时很难进行，此时可采用最小量润滑技术(Minimal Quantity Lubrication)， 简称 MQL。这种方法是将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行润滑。MQL 技术可以大大减少“刀具工件”和“刀具切屑”之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用。它所使用的润滑液很少而12效果却十分显著，

28、既提高了工效，又不会对环境造成污染。例如用(Ti, Al)N+MoS2徐层刀具对铝合金工件进行纯粹的干切削时刀具钻 16 个孔后，切屑就粘结在钻头容屑槽中，使刀具完全不能使用。MQL 法所使用的润滑液用量一般为 0.030.2L/h ，约为湿切削的 6 万分之一。清洁和干净的切屑经过压缩还可以回收使用，完全不污染环境。因此 MQL 法又称为“准干切削” (Near-Dry Cutting)。准干切削技术和涂层刀具相结合，能够取得最好的效果。例如，用高速钢涂层钻头加工X90CrMoV18 合金钢当用 TiAlN 涂层高速钢钻头进行纯粹干钻削时，钻 3.5m 的叨削长度后钻失便被损坏；采用(TiA

29、lN+MoS )复合涂层钻头和最小润滑法，其钻削长度增加到 115m。28、总结和展望干切削技术是对传统生产方式的一个重大创新，是种崭新的清洁制造技术。世界各国日益严厉的环保法规，有利于加速干切削技术的推广与应用；各种超硬、耐高温刀具材料及其涂层技术的发展，为干切削技术创造了极为有利的条件；最小量润滑装置的有效应用和各种中心小孔的孔加工标准刀具的出现，使准干切削在铝合金和各种难加工材料的孔加工中获得了越来越多的应用。干切削技术从出现到现在只有短短 10 年的历史，它是一种新兴的绿色制造技术，对实施人类可持续发展战略有重要的意义，是新世纪的前沿制造技术。9、参考文献1陆剑中，孙佳宁金属切削原理与

30、刀具M第五版北京：机械工业出版社，20112丁丰梅，张军军基于绿色制造的干式切削切削的研究与应用J，机械设计与制造，20113陈丽娟浅谈基于绿色制造的干切削加工技术J，价值工程，20114韩舒基于微量润滑技术的涂层刀具高速切削钛合金性能研究：硕士学位论文：上海：上海交通大学：20115姜学耘，谢国如高速切削在难加工材料中的应用J，机械工程与自动化，20106T.Tawakoli,M.J.Hadad,M.H.Sadeghi.Influence of oil mist parameters on minimum quantity lubrication-MQL grinding processIn

31、ternational Journal of Machine Tools & Manufacture20107G.S.Fox-Rabinovich,A.I.Kovalev,M.H.Aguirre,Design and performance of AlTiN and TiAlCrN PVD coating for machining of hard to cut materials.Surface & Coatings Technology,20098严鲁涛，袁松梅，刘强绿色切削中的微量润滑技术J，研究探讨，20089陈浩基于绿色制造的新型机械制造工艺：硕士学位论文：安徽：合肥工业大学，200810张念淮，张永革一种新型的绿色加工技术干切削应用前景J，中州大学学报，200811王亚敏干切削加工对刀具性能的要求J，科技资讯,200712曹焕亚高速干切削加工的刀具技术及其应用J，研究探讨，2007