张庆军 ，滕育柏 ，董 晖

(大连富士工具有限公司，辽宁 大连 116021)

干切削刀具的合理化设计

张庆军 ，滕育柏 ，董 晖

(大连富士工具有限公司，辽宁 大连 116021)

干切削加工作为绿色制造的关键技术之一，已越来越为机械制造企业所重视。文章在分析干切削加工因缺少冷却液的冷却、润滑和协助排屑所产生的切削温度升高、刀具磨损加快等不利影响的基础上，以减少刀具磨损、延长刀具使用寿命、保证零件的加工精度和工件表面质量为目的，从刀具材料选择、刀具涂层技术以及刀具几何形状等方面对干切削刀具的合理化设计予以重点阐述，为合理设计干切削刀具提供了一定的参考。

干切削；刀具；合理化设计

0 引言

伴随着世界经济的快速发展，环境问题日益突出。环保、节能、无公害的绿色经济发展已经成为各国政府和人民关注的热点。由于清洁、环保的干切削加工能消除切削加工中因切削液大量使用而造成的负面影响，已经成为切削加工领域的研究热点[1]。干切削就是在加工过程中不使用冷却介质的加工方法，尤其在切削加工区域完全不使用冷却液和润滑油的加工工艺，因常应用于高速切削加工场合，又被称为高速干切削[2-3]。干切削既不产生烟雾，也不用排放油污，对大气和水环境没有污染，对人体健康无害，是一项符合环保要求的绿色加工技术，已被德国、美国和日本等工业发达国家所重视并已经成功地应用到生产领域。有关资料统计，欧洲工业界有10% ～15% 的加工已经采用了干切削工艺[3]，并且取得的经济效益非常好。

1 干切削加工的不利影响

湿切削加工中，切削液不但具有给刀具冷却降温、协助排屑与断屑的作用；而且还具有润滑作用，可以降低10%～30%的切削力。与湿切削相比较，干切削由于没有切削液的润滑、冷却和排屑等作用，会引起下列问题：加工能耗增大导致切削温度升高；接触区刀具/切屑的摩擦机理发生变化，刀具和切屑之间摩擦加剧，刀具的磨损加快；切屑也因为较高的热塑性变得难以折断，切屑的收集和排出较为困难[4]；工件表面质量和零件的加工精度不容易保证。

要使干切削达到所要求的加工质量，必须从工件、刀具和机床各方面采取措施，消除或减轻干切削对零件加工产生的不利影响。

2 刀具的设计

为消除或减轻干切削加工中诸多不利因素的影响，对干切削加工刀具有更高的要求：①具有非常好的抗磨性、红硬性；②采用适宜的涂层技术降低摩擦系数[5]；③较高的化学稳定性；④具有非常合理的刀具结构和几何形状[5]。

干切削刀具设计，就是要从刀具材料、刀具涂层以及刀具几何形状等方面对刀具进行合理化设计，以减少切削力、保证切削热的迅速散发和切屑的流畅排出，弱化干切削对刀具寿命和零件加工质量的不利影响。

(1)刀具材料选择

干切削的工况条件下，要求刀具材料具有优良的高温性能，既有良好的红硬性和抗磨性，又具有良好的耐热冲击性和抗粘结性能。

图1所示刀具材料中，氧化物陶瓷(Al2O3，Si3N4) 和金属陶瓷(Cermet)都具有很好的红硬性和抗磨性，可用于普通的干式切削；陶瓷刀具不但寿命长，而且其最佳切削速度比普通的硬质合金类刀具高出3～10倍，可大大提高切削效率[6]，但陶瓷刀具材料热韧性非常不好，不可用于断续性的干铣削加工。金刚石具有极高的硬度(天然金刚石硬度可高达HV10000)和耐磨性，以及高的导热性和较低的膨胀系数，经常用于有色金属及其合金和一些非金属材料的高速精密加工，是超精密加工中最主要的工具之一。但由于金刚石非常差的热稳定性，在切削温度达到800℃时，就会失去其硬度，因此，金刚石不适用于加工钢铁类材料。立方氮化硼 (CBN)具有非常高的硬度，其硬度高达 HV 3200～4000，仅次于金刚石，并具有很高的抗磨性、化学稳定性和热稳定性，在高温下(1200℃～1300℃)不与铁族金属发生化学反应，可承受1200℃以上的切削温度，适于黑色金属材料及合金(如：马氏体铸铁、硬化轴承钢、淬火钢、镍铬合金等)的干式切削。超细晶粒硬质合金的韧性和耐热性能良好，也可用作干切削加工的刀具材料，为了进一步提高其干切削加工性能，通常会对其进行涂层处理。

图1 常见刀具材料硬度和韧性的关系

(2)刀具涂层技术

刀具涂层就是在刀具基体上涂一层或多层性能更为优异的特殊材料来改进和提高刀具的使用性能，是提高刀具切削性能的主要手段之一[7]。刀具涂层的作用主要包括以下四点：①增强刀具的耐磨性、提高刀具硬度；②减小刀具和工件之间的摩擦系数，降低加工时的切削力，改善工件表面质量；③类似于湿切削中的切削液，可以把切削热与刀具隔离开来，以使刀刃的坚硬和锋利能够长时间保持；④保护刀具材料在干切削高温状况下不发生化学反应。

涂层刀具通常分为硬涂层刀具和软涂层刀具两大类[8-9]。硬涂层具有高的硬度和抗磨性，目前使用较多的刀具硬涂层主要有TiN 、TiC、TiCN、TiAlN、Al2O3等及其组合[10-12]，其作用是提高刀具硬度、增强刀具抗磨性。其中，TiN 涂层刀具则具有理想的抗月牙洼功能，TiC 涂层刀具具有很强的抗后刀面磨损能力。软涂层具有低的摩擦系数和剪切强度，如WS2、MoS等涂层，其作用是减少工件、切屑和刀具之间的摩擦系数，降低切削温度和切削力并使切屑易流出，进而提高刀具的耐用度。刀具涂层还可先在刀具上涂覆“硬涂层”，再在上面涂“软涂层”形成多涂层刀具，即采用软/硬涂层组合，使得涂层刀具既有高硬度、高抗磨性，又有摩擦小、切屑易流出的特点。金刚石或类金刚石涂层兼具硬涂层高硬度、高耐磨和软涂层低摩擦系数的特点，其摩擦系数只有钢的 1/6～1/12[13]，可以有效地降低加工的切削力，提高刀具的使用寿命。

(3)刀具几何形状

刀具结构和形状参数的优化，可以延长刀具使用寿命和提高加工精度，这也是推动干式切削技术发展的重要手段之一。设计干切削刀具时，要坚持如下原则：①在保证刀具强度前提下尽可能降低切削力；②刀具型槽设计尽可能改善断屑状况，并保证排屑流畅；③采取必要的散热手段，保证刀具具有足够的散热能力；④保证干切削具有良好的加工精度和表面质量。

实际设计中，通常采用大正前角设计降低刀具的切削力，保证加工精度并延长刀具使用寿命。例如日本三菱综合材料公司的SR形断屑槽刀片的前角达 30°。但大正前角设计会降低刀刃的强度，应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，以使刀刃有足够体积的材料承受切削热和切削力，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度，保证刀具的使用寿命。

刀具排屑问题一直是设计者非常关心的问题。日本三菱综合材料公司的WSTAR钻头具有流畅的排屑槽形和波浪切削刃，在切削软硬材料时都有优异的表现。为了提高钻头的排屑能力，将槽外侧做成小圆弧，在切削时能使切屑迅速形成小块卷曲切屑，而将中心部做成大圆弧是有助于顺利排出切屑。波浪切削刃既能保持刃口的锋利性又能减少能量损耗；而靠近横刃的凸形弧能进一步增强钻头顶尖部的刚性。而顶部向心性外形设计的端刃，因顶端上的小顶角与X型横刃有着自动定心性功能和互补修磨效果，有助于降低径向的跳动，能更加有效地保证零件的加工精度。

立铣刀采用不等分刀槽设计和变螺旋角设计，可以减小精密切削中的振动，提高表面加工质量[14]；而具有自冷却能力的热管式车刀则是提高刀具散热能力的典型设计，如图2所示。该车刀结构与普通车刀外形相同，所不同的是在刀杆体内制成了热管。热管一般以蒸馏水、乙醇和丙酮作为工作介质，利用沸腾吸热和冷凝放热机理对车刀进行传热和散热，是一种高效的传热元件，其热导率是银、铜棒的几百倍。

图2 热管式车刀结构示意图

3 结束语

作为未来切削加工的一个发展方向，干切削技术在我国尚处于起步阶段，但是不断增强的环保意识为研究推广干切削技术提供了十分有利的条件。高速干切削以其高效、节能、环保的特点，正逐渐成为金属切削加工的主流[5]。与之密切相关的干切削刀具的设计和加工，将具有非常广阔的发展前景。

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(编辑 李秀敏)

Optimized Design of Dry Cutting Tool

ZHANG Qing-Jun，TENG Yu-Bai，DONG Hui

(Dalian Fuji Tooling Co., Ltd,Dalian Liaoning 116021, China)

As a key technique of green manufacture, dry cutting has been paid close attention by more and more machinery manufacturing enterprises. Due to lacking of coolant liquid, dry cutting has some disadvantages unavoidably. Such as high cutting temperature from poor cooling, lubricating and assistance of chip removal, serious tool wear. In this paper, based on the analyses of bad effects, tool materials selection, tool coating techniques and tool geometry optimization for dry cutting are elaborated so as to reducing tool wear, lengthening tool life, guaranteeing process quality and surface quality of work pieces. It aims to provide references for optimization of dry cutting tool design.

dry cutting; tool; optimization design

1001-2265(2014)05-0135-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.036

2014-03-01；

2014-03-14

张庆军(1970—)，男，内蒙林西人，大连富士工具有限公司工程师，工程硕士，主要从事非标刀具设计和制作等；通讯作者：董晖(1971—)，男，辽宁大连人，大连富士工具有限公司工程师，主要从事非标刀具设计和制作等， (E-mail)dfg023@dfg.com.cn。

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