隨著人類對資源和環(huán)境保護的日益重視，“清潔化生產(chǎn)”的概念已逐漸引起人們關(guān)注，并成為未來制造業(yè)的重要發(fā)展方向之一。

  在金屬切削加工中，切削液具有冷卻、潤滑、清洗、排屑、防銹等功能，對延長刀具壽命，保證加工質(zhì)量起著重要作用。但是，切削液的廣泛使用，不但浪費大量資源，增加了加工成本，而且污染環(huán)境，甚至危害工人健康。切削廢液的處理已成為現(xiàn)代制造業(yè)的一大難題。

  干切削是消除切削液污染，實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的有效途徑。干切削技術(shù)的發(fā)展在很大程度上要依賴于新型刀具的開發(fā)與應(yīng)用。下面介紹兩種適用于干切削的新型刀具。

  二、新型陶瓷刀具

  陶瓷刀具由于具有高耐熱性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，非常適合用于干切削。但陶瓷材料脆性大、強度及韌性差等固有物理特性卻在很大程度上限制了它在干切削中的應(yīng)用。新型陶瓷材料的開發(fā)較好地解決了這一難題。

  1．新型氧化鋁陶瓷刀片

  提高陶瓷材料強度及韌性最有效的方法是減小陶瓷晶粒尺寸，提高材料純度。

  在陶瓷刀片制造過程中，特別在高溫燒結(jié)時，存在晶粒長大現(xiàn)象。為遏制晶粒長大，常在陶瓷粉末中加入MgO作為抑制劑，但該氧化物燒結(jié)后形成玻璃相，沉積于晶界處，使晶界分離，從而降低了晶界強度，且易產(chǎn)生晶間碎裂。如能在低溫下燒結(jié)陶瓷，則無須添加抑制劑，就可避免上述現(xiàn)象，提高陶瓷刀片性能。

   最近，日本學(xué)者開發(fā)了一種微細顆粒(0.22μm)、高純度(99.99%)的新型氧化鋁陶瓷粉末用于制造陶瓷刀片。這種微細粉末具有很大的比表面積(15.1m2/g)，壓實時具有極大的表面能，在此能量作用下，燒結(jié)時所需溫度明顯降低，在1230℃時即可充分燒結(jié)，這就意味著燒結(jié)時無須添加抑制劑，從而使晶界處無雜質(zhì)存在。

  制造這種陶瓷刀片時可采用如圖1所示的高速離心壓實方法，在10-20×103G的強大離心力作用下壓實坯料，經(jīng)干燥后在1230℃的溫度下燒結(jié)1.5小時即可獲得成品。
            

  表1為新型氧化鋁陶瓷刀片(HU)與普通陶瓷刀片(AW)的機械性能比較。由斷裂表面測得的平均晶粒大小，裂為主，而HU刀片則以穿晶碎裂為主。
          

   2.切削試驗

    分別采用HU刀片和AW刀片對灰鑄鐵和中碳鋼進行了車削和銑削的干切削對比試驗，試驗結(jié)果表明，晶粒更細、晶界更純的HU陶瓷刀片在干切削中具有更為優(yōu)異的切削性能。

  (1) 灰鑄鐵車削試驗

   切削用量為：v＝300m/min，f=0.39mm/r，ap=1.0mm，干切削。圖2a、b分別為HU刀片與AW刀片。
               
                       (a)                (b)
                                 圖 2

   由圖可見，HU刀片的耐磨性明顯優(yōu)于AW刀片，在進給量為0.21～0.50mm/r范圍內(nèi)，情況均與圖2類似。通過對干切削5分鐘后的刀片形態(tài)進行SEM檢查，結(jié)果顯示HU刀片磨損很小，而AW刀片磨損面相當粗糙。這是因為普通陶瓷刀片晶粒較大，磨損主要由晶間碎裂造成；而新型陶瓷刀片不僅硬度高，而且晶界無雜質(zhì)，粘結(jié)強度好，磨損形式主要為穿晶碎裂。

  (2)中碳鋼車削試驗

  切削用量為：v=200m/min，f=0.21mm/r，ap=1mm和1.5mm，干切削。圖3a、b分別為ap=1mm和1.5mm時兩種刀片的磨損寬度隨切削時間的變化曲線。
          
                 (a) ap=1mm      (b)ap=1.5mm
                            圖 3

   由圖可見，當切削深度較小時(ap=1mm)，HU刀片耐磨性極好；當切削深度較大時(ap=1.5mm)，切削1分鐘后AW刀片破碎失效，而HU刀片切削5分鐘后仍可繼續(xù)使用。對磨損后的刀片進行SEM檢查表明，AW刀片的磨損由破碎造成，而HU刀片的磨損是逐漸形成的，沒有明顯的破碎現(xiàn)象。

   (3)中碳鋼銑削試驗

  在相同切削條件下對兩種刀片進行了3次面銑中碳的干切削試驗，試驗結(jié)果見表2。在表中每次試驗結(jié)果用P(無破損)和F(破損)表示。以某一進給量切削工件時，若達到規(guī)定的切削長度(480m)而刀片未出現(xiàn)破損，則記作P，然后繼續(xù)進行更大進給量的試驗。
           

  對切削4分鐘后的刀片進行的SEM檢查表明，HU刀片干銑削中碳鋼時的磨損量很小，磨損表面形態(tài)與車削類似。
  切削試驗表明，晶粒更細、晶界更純的新型氧化鋁陶瓷刀片具有良好的抗機械沖擊和熱沖擊性能以及極高的耐磨性和抗破損能力，是用于干切削的理想刀具。

   三、納米涂層刀具

   為了改善刀具的切削性能，新的刀具涂層材料及涂覆方法層出不窮，由美國學(xué)者開發(fā)的納米涂層(Nanocoatings)是其中最成功的一種。這種涂層方法可采用多種涂層材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求。設(shè)計合理的納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加，使其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合用于干切削。

  1. 涂層種類及性能

  由摩擦、潤滑和磨損的觀點看，硬質(zhì)合金刀具的多層納米涂層可分為四類：(1)硬/硬組合：碳化物、硼化物、氮化物、氧化物之間的組合，如B4C/SiC、B4C/HfC、TiC/TiB2、TiN/TiB2、TiC/TiN等。(2)硬/軟組合：碳化物/金屬組合，如B4C/W、SiC/Al、SiC/W、SiC/Ti等。(3)軟/軟組合：金屬/金屬組合，如Ni/Cu等。(4)具有潤滑性能的軟/軟組合：固體潤滑劑/金屬組合，如MoS2/Mo、WS2/W、TaS2/Ta、MoS2/Al-MO等。這些復(fù)合涂層每層由兩種材料組合而成，厚度僅為幾納米。根據(jù)切削性能需要及涂層性質(zhì)，可交互疊加涂覆上百層，總厚度可達2～5μm。

   硬/硬復(fù)合涂層材料常用B4C/SiC、HfC/SiC和HfC/B4C，這種表面涂層可為刀具提供高溫氧化保護。此外，在切削加工中發(fā)現(xiàn)，碳化物/金屬復(fù)合涂層處會產(chǎn)生定向金屬氧化。當TiAlN中的Al氧化生成氧化鋁時，可改善TiN涂層的性能，使其導(dǎo)熱系數(shù)減小，抗氧化擴散的保護能力提高。Al與硬度更高(與TiN相比)的B4C、HfC、SiC等碳化物組成復(fù)合涂層，可更進一步提高涂層性能。此外，具有較小摩擦系數(shù)的氧化物膜可減少刀具與工件界面處產(chǎn)生的切削熱。能形成這種低摩擦系數(shù)的氧化物保護膜的金屬有Al、Ta、Mo和W。例如在陶瓷表面離子注入混合的Ti和Ni而形成的表面具有極小的摩擦系數(shù)(0.06～0.09)；由Zr的氧化物形成的氧化鋯表面摩擦系數(shù)更小，且具有優(yōu)異的抗熱及散熱性能。層狀結(jié)晶的二硫化物也具有較小的摩擦系數(shù)，如二硫化鉬(MoS2)是常用的固體潤滑劑，但它在空氣中加熱到350～400℃時即顯著氧化，如將MoS2與耐熱金屬Mo組合成復(fù)合涂層MoS2/Mo，則其耐熱能力可明顯提高。其它一些耐熱金屬的二硫化物(如WS2、TaS2)在空氣中比MoS2具有更好的穩(wěn)定性，如WS2在600～650℃時才氧化，而TaS2在空氣中加熱到750℃時仍保持穩(wěn)定。因此，由耐熱金屬的二硫化物與耐熱金屬組合的復(fù)合涂層(如WS2/W和TaS2/Ta)具有優(yōu)異的抗高溫性能。

   2. 涂覆工藝原理

   納米涂層的涂覆可采用先進的封閉場不平衡磁濺射法(CFUMS)。該方法與普通磁濺射法相比，具有效率高、功率消耗小、濺射室壓力小、溫度低、靶到工件距離大等優(yōu)點，獲得的涂層更純凈、更致密、性能更一致。此外，試驗證明，CFUMS法生產(chǎn)重復(fù)性好，涂層具有更高的粘結(jié)強度，摩擦系數(shù)恒定，因而在干切削中具有更長的使用壽命。

  磁源(靶)置于真空室內(nèi)壁上，被涂刀具置于轉(zhuǎn)鼓上，將氬氣通入真空室中。根據(jù)涂層材料是非導(dǎo)體(如陶瓷氧化物)或?qū)�體(如金屬)，分別用RF和DC電源進行磁化產(chǎn)生等離子。當沉積多層薄膜時需要兩種不同材料的等離子體，這時則可采用兩個靶，當轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)一整轉(zhuǎn)，即可沉積一層雙材料層。根據(jù)涂層所需層厚，可確定所需雙材料層的層數(shù)，從而確定轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)數(shù)。每一層涂層的層厚則可通過每個靶的功率、轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速以及靶材料的濺射特性來控制。

  獲得的涂層質(zhì)量可通過多種方法進行檢查。常用的方法是用針式輪廓測量儀測量涂層總厚度；用x射線衍射法測量單層涂層或雙材料層的厚度；用納米硬度測量法測量涂層硬度。還可采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡或射線電子顯微鏡測量涂層的微觀形貌。

  1. 切削試驗

  有人采用CFUMS涂覆工藝在硬質(zhì)合金刀具和HSS鉆頭上涂覆B4C/W多層納米涂層(100層雙材料層，每層厚度B4C為13?，W為18?)，然后分別采用未涂層刀具、普通單涂層(TiAlN)刀具、三涂層(TiC/TiCN/TiN和TiC/Al2O3/TiN)刀具和B4C/W多層納米涂層刀具在105m/min的切削速度下對中碳鋼進行了干切削對比試驗。試驗結(jié)果表明，納米涂層刀具的后刀面磨損量比未涂層刀具和常用的TiC/Al2O3/TiN三涂層刀具大大減小。此外，隨著切削時間的延長，納米涂層刀具的切削力與未涂層刀具、TiC/TiCN/TiN三涂層刀具和TiAlN涂層刀具相比也顯著減小。

   還有人采用固體潤滑劑多層納米涂層(MoS/Mo雙材料涂層，共400層，總厚度3.2μm，每層厚80A)HSS鉆頭與未涂層鉆頭進行了干切削對比試驗。工件材料為Ti-6Al-4V合金，該材料導(dǎo)熱系數(shù)低，切削時易生成積屑瘤，加工硬化現(xiàn)象嚴重，屬難加工材料。試驗用鉆頭直徑為��9.5mm，名義鉆削速度2200r/min。試驗結(jié)果表明，測得的鉆削力和鉆頭磨損量與進給量呈函數(shù)關(guān)系。未涂層鉆頭鉆進時，鉆削力急劇增大，最后導(dǎo)致鉆頭卡入工件中。而多層納米涂層鉆頭鉆進時的鉆削力減小約33%，在相同的鉆削時間內(nèi)鉆削順利，未發(fā)生鉆頭卡住現(xiàn)象或其它故障，鉆削性能顯著優(yōu)于未涂層鉆頭。
    切削試驗表明，納米涂層刀具是適用于干切削的理想刀具。