高速干切削加工技术

高速干切削加工技术

［摘

节约资源、保护环境的目的。

赵瑾

湖北荆门职业技术学院４４８０００

要］机械加工业对环境造成的污染日益严重，通过高速干切削技术在机械加工中的应用用来达到

切削液

高速干切削加工技术

高速湿式切削加工相当（甚至更高）的加工质量和刀具耐用度，就必须对包括机床、刀具、工件以及切削参数在内的整个工艺系统进行全面的考虑权衡，并采取相应的工艺措施，以弥补高速干式切削加工的不足。

［关键词］机械加工

金属材料在切削加工过程中，切削液的使用是必不可少的，其主要作用是：冷却润滑作用，它能吸收并带走切削区大量的热量，改善散热条件，降低刀具和工件的温度。同时切削液能渗透到工件与刀具之间，在切屑与刀具的微小间隙中形成一层很薄的吸附膜，减小了摩擦系数，因此可减小刀具、切屑、工件间的摩擦；清洗和防锈作用，切削过程中产生的细小的切屑粘附在工件和刀具上，若使用一定压力的切削液，则可将切屑迅速冲走。在切削液中加入防锈添加剂，能在金属表面形成保护膜，使机床、刀具和工件不受周围介质的腐蚀，起到防锈作用。

切削液在机械加工中扮演着重要的角色，但随着切削液低用量的增加，其负面影响也越来越显著：①增加了制造成本，这不仅包括切削液用量增加带来的成本增加，还包括运输、储存、废液处理等间接成本增加；②污染环境；③损害工人健康。为了降低生产成本，减少环境污染，最好的办法是不使用切削液，即采用干切削（Ｄｒｙｃｕｔｔｉｎｇ）。

１、刀具

由于干切削时会产生强烈的摩擦和极高⑴刀具材料、涂层：

的温度（如用硬质合金钻头在调质钢ＣＫ４５上以Ｖｃ＝８０ｍ／ｍｉｎ和ｆ＝０．２ｍｍ／ｍｉｎ进行干切削时，在接触区会达到３８０℃－４１０℃的高温。又如干铣钢件时温度通常会超过６００℃），所以对用于干切削的刀具干切削刀具材料必须具有极高的红硬性和热韧性、良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前，用于干切削的主要有钛基硬质合金（Ｃｅｒ－ｍｅｔｓ）、聚晶金刚石（ＰＣＤ）、聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）等超硬材料刀具、陶瓷刀具、涂层刀具等均可较好满足干切削的要求。某些刀具涂层材料具有类似切削液的功能，可隔离切削热，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应。其中ＰＣＢＮ是淬硬钢和铸铁干加工最常用的刀具材料；而氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）特别适合于在断续切削和铸件有砂皮情况下对铸件和球墨铸铁进行干切削；

Ｃｅｒｍｅｔｓ在硬度上是介于陶瓷刀具和硬质合金之间的刀具材料，

它是高速干切削钢件的合适材料。

图１机械制造业零件加工的单件成本构成

干切削并非只要简单的取消冷却润滑液就可以实现的。由于在切削过程中缺少了冷却润滑液的润滑、冷却和冲屑作用，在高速干式切削加工中，相应地会出现以下问题：

（１）由于缺少切削液的润滑作用，高速干式切削加工中的切削力会大大增加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工表面质量变差，刀具磨损加快，刀具使用寿命缩短。

（２）由于缺少切削液的冷却作用，高速干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环境会导致形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。如不及时将热量从机床的主体结构中排出，同样会使机床产生严重的热变形，影响加工精度和降低工件表面质量。

（３）在高速干式切削加工某些材料（如石墨电极等）时，会产生大量粉尘，如不能及时清除，会严重损害操作工人的身体健康，同时细微颗粒也会侵入丝杠、轴承等机床关键部件，加大机床的磨损，影响机床的加工精度和稳定性。

（４）由于高速干式切削加工与高速湿式切削加工的切削过程有所不同，为使机床能够稳定地完成切削过程，需要对原来高速湿式切削加工选用的切削参数作相应修改和调整，才能应用于高速干式切削加工。

为了解决以上问题，使高速干式切削加工在规定时间内达到与

⑵优化刀具几何参数与结构

［１］

：①减少加工刀具与工件表面之

间的接触面积。如加大钻头的导程和倒锥角，以防止切屑阻塞，改善排屑性能。改进后效果明显，钻孔能力可提高数倍。如美国Ｃａｒ－

）加强刃，前刀面呈多条弧ｂｏｌｏｙ公司把刀片制成超大正前角（＋３４°

形沟，以减少切屑与前刀面的接触，使切削温度大大降低，采用常规切削速度加工时，刀具寿命可提高３～４倍。②考虑刀具表面的最

大润滑性，防止产生积屑瘤。③在高速干式切削加工时，可对细颗粒硬质合金刀具和ＰＣＤ刀具的切削刃口作微小钝化，以刀具基体的强度来保持刃口的锋锐性，达到降低切削温度的目的。这样不但可保持刀具的优良性能，还可延长刀具的最佳使用寿命。④在高速干式切削加工韧性材料时，断屑槽的断屑性能起着十分关键的作用。可针对不同的工件材料和切削用量，设计相应的断屑槽结构与尺寸，提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。在封闭空间进行高速干式切削（如干式钻削、干式铰削、干式攻丝等）时，则应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。例如，德国ＷＺＬ的切削试验表明，在用硬质合金钻头干式钻削回火钢时（孔深３０ｍｍ，孔径

１１．８ｍｍ，进给速度ｖｃ＝８０ｍ／ｍｉｎ，每次进给量ｆ＝０．２ｍｍ），标准钻头只能钻削约４００个孔，而经过优化设计、加宽了钻头排屑槽几何形状

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科技动态

IPv6———下一代互联网的核心

［摘

崇志军王凌敏

江西九江学院信息学院网络教研室

江西九江３３２００５

设计

了下一代因特网协议—ＩＰＶ６协议，用它来替代当前使用的ＩＰＶ４协议。文章主要阐述了ＩＰｖ６的一些特点，包括ＩＰｖ６数据报格式，地址空间，安全性，移动性，服务质量（ＱｏＳ），ＩＰｖ６路由协议，地址配置等，并介绍ＩＰｖ６的发展现状。

要］互联网的迅猛发展导致了ＩＰ地址资源的紧张，为了满足因特网快速增长的要求，ＩＥＴＦ

［关键词］ＩＰｖ４ＩＰｖ６

ＩＰ数据报格式ＩＰ地址

向。从全局观点看，ＩＰｖ６也许是比３Ｇ更为重要的一次机遇。”

１ＩＰｖ６的主要特性

随着信息技术和微电子技术的迅猛发展，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ在全球范围内得到了迅猛的发展，我们也从工业时代进入了数字化生存的时代。Ｉｎ－

ｔｅｒｎｅｔ作为当今全球最大、最流行的计算机信息网络，如今正扮演着这样的角色：它打破了传统的地缘政治、地缘经济、地缘文化的概念，形成了一个全新的以信息为中心的跨国界、跨文化、跨语言的开放性虚拟空间。在不远的将来，ＩＰ技术使得信息汇聚和现有网络的整合成为可能。而与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ迅猛发展所不同的是，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ当前使用的ＩＰ协议版本ＩＰｖ４因为各种自身的缺陷而举步维艰，如ＩＰ地址空间的局限性、安全性、路由选择效率不高、服务质量缺乏保证、移动性支持不强等缺陷。在ＩＰｖ４面临的一系列问题中，ＩＰ地址即将耗尽无疑是最为严重的。有预测表明，以目前Ｉｎｔｅｒｎｅｔ发展速度计算，所有ＩＰｖ４地址将在２００５～２０１０年间分配完毕。为了彻底解决ＩＰｖ４存在的问题。ＩＥＴＦ下一代网络协议ＩＰｎｇ工作组于１９９４年９月提出ＴｈｅＲｅｃ－

ＩＰｖ６的主要特性有：新的协议头格式；巨大的地址空间；内置的安全性；更好地支持ＱｏＳ；有状态和无状态的地址配置；高安全、高效率性路由选择；内置的移动性；具有可扩展性等。

ｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＩＰＮｅｘｔＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌ草案，并在１９９５年底确定了ＩＰｎｇ协议规范，称为ＩＰ版本６，即ＩＰｖ６，１９９６年ＩＰｖ６的基本协议规范发表，１９９８年发表了ＩＰｖ６修订版。ＩＰｖ６所提供的巨大的地址空间以及所具有的诸多优势和功能，使其成为构筑下一代网络的重要基础，从提出至今获得了普遍关注和广泛认可。正如业内专家指出的“建设基于ＩＰｖ６的下一代网络是重要的战略发展方

１．１ＩＰｖ６报文格式：ＩＰｖ６数据报有一个固定大小的基本首部，其后可以有零个或多个扩展首部，再后是数据。ＩＰｖ６的基本首部仅包含８个字段（ＩＰＶ４是１３个字段），在ＩＰｖ４数据报首部中的选项和一些固定的字段，ＩＰｖ６中被移到了扩展首部中。这一改变使得路由器能够更快地处理分组。ＩＰｖ６首部格式包含以下内容：

版本：４位。表ＩＰ协议的版本号。ＩＰｖ６报头中该字段值为６。传输类别：８位。可用于信源节点和转发路由器标识和区分不同ＩＰＶ６包的类别或优先级。

数据流标签：２０位数据流标签。用于源节点标识那些需要ＩＰＶ６路由器特殊处理的包的序列。

有效数据长度：１６位无符号整数，表ＩＰｖ６有效数据长度。也就是以八位组为单位，在这个包中ＩＰｖ６首部后面的其余部分的长度。（注意，扩展首部将被认为是有效数据的一部分，计算在长度里）。

下一个首部：６位。标识紧接在ｉｐｖ６首部后面的下一个首部的

的钻头可钻削高达２２００个孔，优势明显。

⑶采用低温冷却系统［２］：如美国开发成功一种加工反应烧结氮化硅（ＲＢＳＮ）的车刀液氮冷却系统，液氮在刀具前刀面上的帽状液室循环流动，冷却刀具前刀面。目前已将液氮或压缩氮气直接引至切削区，既降低切削温度又可防止刀具在高温下氧化。

对某些工件有时难以做到完全干切削，这时采用最少量润滑技术（ＭｉｎｉｍａｌＱｕａｎｔｉｔｉｅｓｏｆＬｕｂｒｉｃａｎｔ，ＭＱＬ），也称准干切削（ＮｅａｒＤｒｙＣｕｔｔｉｎｇ）。将压缩空气与润滑液混合形成气流，喷射至加工区，对加工进行充分有效的润滑。一台典型加工中心在湿切削中，每分钟可能需要（２０～１００）Ｌ的切削液，采用ＭＱＬ技术进行准干切削，每小时只需要（０．０３～０．２）Ｌ的切削液。ＭＱＬ技术可减少刀具－工件和刀具－切屑之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘结、提高加工质量的作用。Ｍ．Ｒａｈｍａｎ［３］的研究表明，ＭＱＬ辅助切削的刀具磨损量、加工表面粗糙度及切削力都与湿切削相当，而且被加工表面的毛刺明显少于湿切削。

高速干式切削加工技术是对传统的高速湿式切削生产方式的一种革命性变革，是一种理想的“绿色制造”工艺方法，是对传统制造观念和生产方式的一种挑战，它的推广应用将在机械制造行业引起广泛而深远的影响。国外对高速干式切削加工技术的研究已相当深入，且应用范围也比较广泛。我国对此项技术的研究及开发还处于起步阶段，与国外相比有不小差距，在实际应用中也遇到许多困难和障碍，涉及到观念更新和技术攻关两个方面，需要进行长期不懈的努力。但是，高速干式切削加工代替高速湿式加工是机械制造业未来的发展趋势，相信随着高速干式切削加工技术的进一步发展和不断成熟，它必将展现出广阔而美好的发展前景。

参考文献：［１］宋清华［２］艾兴等

唐委校

《工具技术》２００５年第６期

北京

国防科技大学出版社

高速切削加工技术

２、机床

开发性能优良的高速机床，是实现高速干切削的前提条件和关键因素。设计高速干切削机床时要考虑的特殊问题主要有：设计和制造高速度、大功率的主轴单元、进给单元和辅助装置；切削热的散发；切屑和灰尘的排出等。在这类机床的加工区为能顺利排屑，床身呈Ｖ型，角度大于５５°，在加工区不应有妨碍排屑的凸起的紧固螺栓。为进一步避免切屑的温度影响到机床的热变形，机床床身的盖板还可采用双层壁结构来进行隔热。对于采用直线电机驱动的高速加工中心，还需要安置冷却系统，以提高机床的热稳定性。由于取消了冷却润滑液的冲洗作用，特别在加工铸铁和轻金属时会产生大量的粉尘和细切屑，为防止这些磨粒的沾污，在加工区除需要采取密封和屏蔽设施外，还设置了抽吸装置，以有效地吸走粉尘和多余的微量润滑油油雾。

干加工机床往往安装有微量润滑系统，这在加工铝合金和镁时，以便能防止积屑瘤和提高工艺过程的可靠性。

３、工艺技术

对机械加工而言，要实现干切削，工件材料在很大程度上起着决定性的作用。超硬合金最难进行干切削，钢次之，而铸铁的干切削性能最好。铝合金在加工过程中产生的切屑很容易与刀具发生“咬焊”式粘连，采用高速干切削可以解决这个问题。采用干切削和干磨削技术能够节约资源，降低能耗。

２００３，１０

［３］ＲａｈｍａｎＭ，ＫｕｍａｒＡＳ，ＳａｌａｎＭＵ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍｉｎｉｍａｌｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｏｆｌｕｂｒｉｃａｎｔｉｎｅｎｄｍｉｌｌｉｎｇ．

Ｉｎｔ．Ｊ．Ａｄｖ．Ｍａｎｕｆ．Ｔｅｃｈｎｏ．２００１，１８：２３５－２４１［４］叶伟昌［５］张柏霖等

干切削刀具及其应用新世纪的干切削技术

《机械工艺师》

２０００，６

２００１，１０

４、采用“ＭＱＬ”技术的准干切削

制造技术与机床

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