干式切削及其在齿轮加工中的应用

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　　 干式切削工艺的成败，关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法。目前，比较成功的干式切削法有两种：高速干式切削和低温冷风切削。
　　一、高速干式切削与低温冷风切削
　　1．高速干式切削法
　　该加工方法是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。 干式切削必须选用适当的切削条件。首先，采用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件间的接触时间，再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。随着数控技术的广泛使用，机床刚性和动态性能不断提高，提高机床的切削速度并非难事。实践证明，当切削参数设置正确时，切削产生的热量80%可被切屑带走。
　　高速干式切削法对刀具有严格的要求：①刀具应具有优异的耐高温性能，可在无切削液条件下工作。新型硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等切削材料是干式切削刀具的首选材料；②切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小（最有效的方法是刀具表面涂层），并辅以排屑良好的刀具结构，减少热量堆积；③干式切削刀具还应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。
　　2．低温冷风切削
　　该切削方法是一种用-10℃～-100℃的冷风和非常微量的植物油代替冷却和润滑油剂冷却的加工方法。它由日本明治大学的横川和彦等最先提出。研究发现，在金属切削加工过程中，如果只给加工点提供非常微量、润滑效果良好且未氧化的植物油，加工点就会因高温而丧失润滑性。若给加工点提供冷风（-10℃～-100℃），就可以防止加工点的高温化，避免上述情况发生。
　　冷风切削时切削性能大大提高。试验表明，冷风切削、磨削在性能方面比油剂切削、磨削提高了2倍以上。图1所示是有、无植物油切削剂与冷风时的切削性能对比情况。可以看出，仅使用冷风切削就比使用植物油切削的效果好，而冷风与微量植物油一起使用时，刀具的切削性能进一步加强。试验时的切削条件：工件直径：φ92mm～φ98mm，切削速度：45.1m/min～48.0m/min，进给：0.5mm，切削刀具：刀尖半径R0.4，相当于SKH4高速钢，不重磨刀片。

                               
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▲无精密润滑油，无冷风加工；■有精密润滑油，无冷风；

●有精密润滑油，有冷风；◆无精密润滑油，有-16.7℃冷风

　　图1 有、无植物油切削剂及冷风时的切削性能使用温度非常低的强冷风加工时，为防止油剂冻结而丧失润滑性，可在加工前，在刀具表面涂上微量的植物油，然后给加工点供应强冷风。即不让强冷风与油剂混在一起，效果会更好。使用微量植物油剂，不但降低了切削能耗，而且还消除了工件锈蚀现象。
　　二、干式切削在齿轮加工领域的应用
　　新的硬质合金涂层方法和数控机床的使用，使圆柱齿轮制造出现新趋势：无冷却的硬质合金刀具高速切削。若工艺参数按最佳设置，可使加工时间短，刀具寿命更长。日本三菱公司、美国格里森公司等都在这方面开展了卓有成效的研究。
　　日本三菱公司推出了世界上第一套干式滚切系统。它采用的切削速度是传统滚切速度的多倍，可达到200m/min。干式滚切对滚刀有特殊的要求，三菱公司设计的专用干式滚刀，采用MACH7高速钢，表面涂有专用涂层，有助于散热并减少刀具损耗，其寿命可延长到一般湿切方式的5倍。这一系统在加工汽车末级传动齿轮、大型载重齿轮、汽车小齿轮及行星齿轮时效果都很理想，生产成本至少降低40%。
　　美国格里森公司用硬质合金滚刀在Phoenix机床上用干式切削法加工锥齿轮，与传统的高速钢刀具湿式切削法相比，降低切削时间为50%，而且齿轮的表面粗糙度显著降低和几何精度也大大提高，加工精度可达AGMA12～13级。该公司生产的GP系列滚齿机，以其独特的设计，使其干切质量能与湿切质量媲美。其床身设计成大角度斜坡，以利切屑流动。床身内部循环冷却，以利于维持热平衡。此外，机床还配有一套真空除屑除尘系统。这一系列滚齿机，滚切转速可达3000r/min。
　　高速干式切削法有如下优点：首先，由于它省去了油屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，因此，机床结构紧凑。其次，这种方法极大地改善了加工环境；加工费用也大大降低。为进一步延长刀具寿命、提高工件质量，可在齿轮干式切削过程中，每小时使用10～1000ml润滑油进行微量润滑。这种方法产生的切屑可以认为是干切屑，工件的精度、表面质量和内应力不受微量润滑油的负面影响，还可以用自动控制设备进行过程监测。
　　美国费特公司(LMT-Fette)用硬质合金刀具干式滚切齿轮，使齿轮单件加工时间和成本明显降低。日本坚藤铁工所开发的KC250H型干式滚齿机，采用硬质合金滚刀、冷风冷却、微量润滑，进行高速滚齿，由于供给的是温度稳定的冷风，工件的热变形极小。它与传统的采用高速钢滚刀KA220型湿式滚齿机相比，加工速度提高了3.2倍，齿轮精度也明显提高。
　　三、小结
　　干式切削与湿式切削相比，不但极大地提高了机床生产效率，降低了工件加工成本，而且有利于保护环境，节约自然资源。在国外，干式切削的研究和应用都比较广泛，据有关部门统计，目前在西欧已有近一半企业采用干式切削加工。国内虽有部分机构在从事这方面的研究工作，但在齿轮加工领域内的应用还是空白。
　　ISO和JIS14000系列标准分别于1996年制定生效，这些标准对环境管理及监测有严格的规定。它们的实施，无疑是对我国机床产品出口的又一次挑战。为提高我国产品的技术含量和工艺创新能力，在国际市场竞争中立于不败之地，开展干式切削加工技术的研究和开发是十分必要和迫切的。

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请问，国内有干式切削的滚刀生产厂家吗？价格多少？

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现今，切削液通常不再必要的重要原因是有了涂层。它们通过抑制从切削区到刀片(刀具)的热传导来减缓温度的冲击。涂层的作用就象一层热屏障，因为它有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数。因此，这些刀具吸收的热量较少，能承受较高的切削温度。无论是车削还是铣削，涂层刀具都允许采用更高效的切削参数，而不会降低刀具寿命。

    涂层厚度在2到18微米之间，它在刀具性能方面起着重要的作用。较薄的涂层比厚的涂层在冲击切削时，经受温度变化的性能要好，这是因为较薄的涂层应力较小，不易产生裂纹。在快速冷却和加热时，厚的涂层就象玻璃杯极快地加热冷却一样，容易碎掉。用薄涂层刀片进行干式切削可以延长刀具寿命高达40%，这就是物理涂层常用来涂圆形刀具和铣刀片的原因。PVD涂层往往涂得比化学涂层要薄，与轮廓结合得较牢固。另外，PVD涂层可以在低得多的温度下沉积在硬质合金上，因此，它们更多地应用于非常锋利的刃口及大的正前角铣刀、车刀。

    虽然涂层材料氮化钛，在所有涂层刀具中占有80%。然而在高速干式切削的情况下，最好的PVD涂层是氮铝钛(TiAlN)，它的性能在高温连续切削时，优于氮化钛四倍，例如用于高速车削。TiAlN涂层对于处在较高的热应力条件下的刀具，也胜过其它涂层。象干式铣削及那些小直径孔的深孔钻削切削液难以到达的部位。

    TiAlN在切削温度下比TiN更硬，且具有热稳定性，PVD涂层利用了它的抗化学磨损性能，它的硬度高达维氏3500度，它的工作温度高达1470°F。材料科学家推测：这些性质可归功于非结晶的氧化铝薄膜，它是当高温时涂层表面中的一些铝氧化后，在切屑/刀具界面上形成的。

    这项研究特意选用超薄多层PVD涂层，这种沉积过程产生的涂层由上百层组成，每一层仅有几个纳米厚。而一般的PVD涂层的沉积物只有几层微米级厚度的涂层。

    尽管PVD涂层有很多优点，但是对于加工大多数黑色金属，CVD涂层仍然是更受欢迎。在CVD加工过程中，沉积温度比较高有助于提高结合强度，并且允许基体中有较高的钴含量，这样刀刃的韧性好，提高抗塑性变形的能力。由于CVD涂层比PVD涂层厚，就要求在它们的刃口处进行钝化，以防止涂层剥落，同时也能有助于提高刀具的抗磨损性能。允许采用进给量可达0.035英寸/转。

    CVD是在刀具上沉积一层有用的氧化铝的过程，这是人们熟知的最耐热和抗氧化的涂层。氧化铝是不良导体，它把刀具与切削变形而生成的热量隔开，促使热量流到切屑中。这是一种极好的CVD涂层材料，主要用于在干切时使用的硬质合金车刀。它在高速切削时还能保护基体，是最好的抗磨料磨损和月牙洼磨损的涂层。

    涂层刀片有较长的刀具寿命，它在干式铣削比湿式铣削更稳定。更高切削速度会使切削温度进一步升高。例如，在14000转/分和1575英寸/分的切削速度下干式切削加工铸铁，能把刀具前面的切削区加热到600°~700℃。其金属切除率就类似于铣削铝，这时在铸铁上产生的温度就高于常规刀具。