高速干切削技術(shù)是在高速加工和干切削技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項先進制造技術(shù)赛臀，是綠色制造在金屬切削領(lǐng)域的具體實施丰扁。高速干切削加工所要求的刀具、機床和輔助工藝具有一定的特殊性僧旬，是影響高速干切削技術(shù)能否得到廣泛應(yīng)用的三個重要方面逼庞。   高速切削(HSC)加工作為一種先進的切削技術(shù)赛糟，自二十世紀八十年代以來得到了日益廣泛的應(yīng)用。高速加工采用遠高于常規(guī)加工的切削速度和進給速度掌逛，不僅可提高加工效率，縮短加工工時豆混，同時還可獲得很高的加工精度篓像。隨著高速主軸技術(shù)的發(fā)展皿伺，與其配套的新型刀具不斷出現(xiàn)鸵鸥，同時對高速加工工藝參數(shù)的優(yōu)化研究也在不斷深人，使得高速切削技術(shù)的理論研究和應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展乃筐。

　　高速加工的主要優(yōu)點有:1前茧、切削力降低03%左右涉泡，特別適合剛性差的零件能莫，2、由于加工時對刀具和工件進行了冷卻潤滑妇愉，減少了切削熱對工件的影響芳企，特別適合加工易熱變形的工件;3、激振頻率遠遠高于機床和工藝系統(tǒng)的固有頻率唱较，加工平穩(wěn)南缓，振動小荧呐，加工表面質(zhì)量好4;倍阐、能極大地提高生產(chǎn)效率。但是岔冀，高速切削采用的高壓大流量冷卻方式會增加環(huán)境污染使套、提高生產(chǎn)成本、減少刀具的耐用度披贰、加大機床腐蝕等一系列問題。

　　為了解決上述問題降乔，目前采用的方法一種是改變切削液的使用參數(shù)和用量讨楔，研制新型的無污染的綠色切削液;另一種是在切削過程中停止使用切削液豆牺，采用干切削翎桨，它能從根本上徹底解決切削液帶來的問題茫叭。干切削技術(shù)是上世紀九十年代為適應(yīng)全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來的一項綠色切削加工技術(shù)揍愁，目前歐美、日本等工業(yè)發(fā)達國家非常重視干切削的研究谬擦，干切削技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到了生產(chǎn)領(lǐng)域，并且取得了良好的經(jīng)濟效益锨络。

　　高速切削因具有降低切削力羡儿，工件熱變形小等特點姥购，為實現(xiàn)干切削提供了有利條件概给，高速干切削的目標(biāo)不僅要限制或停止使用切削液跛庶，而且要保證高的加工效率和加工質(zhì)量质凰。但在高速干切削中畏琢，因缺乏切削液的冷卻潤滑和排屑作用虐欲，會導(dǎo)致切削區(qū)刀具與工件的摩擦加劇檐春，切削力增大，切削溫度上升恍风，切削振動增強以及排屑不暢等情況朋贬，會影響機床加工性能和刀具使用壽命锦募，降低加工質(zhì)量。因此赎线，需要從刀具徽橄、機床和輔助工藝等方面來進行研究并優(yōu)化脂惊，使高速干切削技術(shù)能得到更廣泛的應(yīng)用喝园。

　　1  高速干切削的刀具技術(shù)

　　高速干切削的刀具要承受比濕切削更高的溫度，刀具與切屑和刀具與工件接觸面上的摩擦系數(shù)也要盡可能的小乞挥，而且還要求刀具有利于斷屑、排屑和散熱保地，這就需要從刀具材料撰拯、刀具涂層以及刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等幾個方面來解決刀昼。

　　1.1刀具材料

　　刀具材料的迅速發(fā)展是高速干切削得以實施的工藝基礎(chǔ)嗓奢。高速干切削時要求刀具材料與被加工材料的化學(xué)親和力要小，必須具有良好的耐熱性浑厚，極高的紅硬性和熱韌性股耽。目前適用于干式加工的刀具材料有超細高的切削溫度，具有較高的強度和沖擊韌度钳幅，適用于制作干切削的鉆頭和銑刀物蝙。PCD(聚晶金剛石)和CVD金剛石涂層刀片有很高的硬度和熱導(dǎo)率，適合高速干切削有色金屬(如銅合金敢艰，鋁合金)以及欽合金和耐磨的高性能復(fù)合材料诬乞，但不能加工黑色金屬。CBN(立方氮化硼)的硬度和耐磨性僅次于金剛石钠导，有優(yōu)良的紅硬性震嫉、化學(xué)穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù)，是高速干切削HRC50以上淬硬鋼和冷硬鑄鐵等黑色金屬的理想刀具材料牡属。

　　金屬陶瓷的硬度和沖擊性好票堵，熱硬性差，故多用于精加工和半精加工逮栅。陶瓷具有硬度高悴势、化學(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點安蔚，是相對廉價的干切削刀具材料泞霹，但其強度舱闪、韌性和抗沖擊性能差，適用于灰鑄鐵和鋼的高速干切削俱菜。

　　1.2刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

　　干切削刀具的失效形式主要是月牙洼磨損唤抚，所以一般都采用較大的前角以減少切屑與前刀面的接觸面積。為彌補大前角對刃口強度的削弱践寄，常配以加強刃甚至前刀面上帶有加強筋说庶。較大的正前角、鋒利而強有力的切削刃有利于斷屑檩渐「央梗總之，干切削刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮斷屑和排屑的問題剃拇。對韌性材料的加工來說支读，斷屑非常關(guān)鍵，目前車刀三維曲面斷屑槽方面的設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟害淤，可針對不同的工件材料和切削用量很快設(shè)計出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸扇雕，并能大大提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。

　　此外窥摄，為了加速刀具的冷卻以降低切削溫度镶奉，也可采用熱管式刀具或液氮冷卻刀具。用液氮冷卻刀具的方法崭放，在車刀的前刀面倒裝了一個金屬帽狀物哨苛，其內(nèi)腔與刀片的表面共同組成一個封閉的空間。帽狀物上有液氮的人口和出口币砂。在干切削過程中建峭，液氮在封閉的空間內(nèi)不斷地流動，吸收刀片上的切削熱决摧，使刀具不產(chǎn)生過高的溫升亿蒸，始終保持良好的切削性能，順利實現(xiàn)干切削掌桩。

　　1.3刀具涂層

　　采用高速干切削边锁，若僅僅使用目前已有的熱穩(wěn)定性好的刀具材料和優(yōu)化刀具幾何形狀，仍不能達到很好的效果拘鞋。因此窜旺，采用在刀面上涂覆隔熱性好的硬涂層和具有固體潤滑性能的軟涂層，使刀具能承受更高的切削溫度驶闰。涂層的作用一是提供了低摩擦層杏紫，減少了刀具與工件表面之間的摩擦和粘結(jié)，相當(dāng)于切削液的潤滑作用;二是在刀具和切削之間起到隔熱作用阔垢，阻止切削熱向刀具傳播申蔗，相當(dāng)于切削液的冷卻作用侯砸。

　　涂層材料可分為軟涂層和硬涂層⌒┚粒基于MoS2和WC/C的軟涂層主要用于對涂層的滑動性能要求非常高的場合俗衍。硬涂層主要有TiN、TiCN步垢、TiALN等簸隅，TiALN具有很好的耐熱性和耐高溫性，硬度高達HV3500易解，工作溫度高達79℃撰钥，而且因為添加了AL，使刀具的抗氧化性能大大提高腥椒，是高速加工和干切削最常用的材料阿宅。ITN在干切削時可作為一種"通用涂層"，主要用于干攻絲(鑄鐵絲錐除外)笼蛛，TiN涂層用在整體硬質(zhì)合金銑刀上效果很好洒放。

　　在高速干切削刀具中常常使用多層復(fù)合涂層，把硬涂層和軟涂層結(jié)合在一起滨砍，即在一道涂覆工序中采用兩種物理氣相沉積工藝往湿，先產(chǎn)生硬涂層TiALN，然后再在其上面采用濺射法產(chǎn)生WC/C軟涂層惨好，可以有效提高刀具的壽命煌茴。目前新的涂層技術(shù)如高硬度随闺、高熱穩(wěn)定性的金剛石薄膜涂層日川，CBN薄膜涂層，由多種涂層材料不同組合構(gòu)成的納米級涂層等矩乐，均得到了長足的發(fā)展龄句，其所具有的優(yōu)異抗磨損及自潤滑性能，使其更能適用于多種材料的高速干切削恋猜。     

　　2  高速干切削的機床技術(shù)

　　由于高速干式切削加工機床不再使用切削液畦洞，必然導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)及布局的變化，主要體現(xiàn)在對機床的隔熱性能贰嚷、排屑速度铡捉、洗塵效果和機床基礎(chǔ)構(gòu)件的三剛度(靜剛度、動剛度和熱剛度)等方面提出了更高要求泵位。

　　2.1高速干切削抓床的機構(gòu)

　　2.1.1選用三剛度高的高速機床

　　由于高速干式切削加工過程中會產(chǎn)生更大的切削力和更多的切削熱劲徙，從而導(dǎo)致刀具與工件之間的振動以及機床的熱變形明顯增大，因此選用的機床基礎(chǔ)構(gòu)件(如立柱辙肿、床身秘挥、工作臺等)的三剛度要大昂待，如采用人造花崗巖等新材料整體制造床身，不僅三剛度好功缤，而且減振效果明顯呜唁。此外，將被認為是"21世紀的新式數(shù)控機床"斜劳、"機床結(jié)構(gòu)的重大技術(shù)革命"的虛擬軸機床與高速干式切削加工技術(shù)結(jié)合起來导盅，將會獲得更好的效果。

　　2.1.2采用快速排屑布局

　　應(yīng)用高速干式切削加工的要點之一是要在切屑中的大部分熱量傳人機床之前迅速將其排出揍瑟。為此认轨，可采取以下排屑方法:①高速干式切削加工機床應(yīng)盡可能采用立式主軸和傾斜式床身，工作臺四周應(yīng)采用傾斜的隔板月培，這樣有助于熱切屑迅速墜人排屑槽中嘁字。②借助重力排屑。以鉆削加工為例杉畜，可改變機床常規(guī)布局纪蜒，將工件安裝在主軸下部，刀具從下向上鉆削此叠，在重力作用下纯续，切屑可從孔中順利排出，而無須使用帶壓力的切削液來輔助排屑灭袁。③利用虹吸現(xiàn)象排屑猬错。在鉆削加工中，可利用干燥的空氣通過虹吸作用吸出孔中的切屑茸歧，而無須使用切削液倦炒。④利用真空或噴氣系統(tǒng)改善排屑條件。如日本某公司開發(fā)的"潔凈回收系統(tǒng)"晶会，采用將刀具部分罩住的結(jié)構(gòu)毁兼，利用從內(nèi)部吹出的壓縮空氣，使切屑順著刀具回轉(zhuǎn)方向經(jīng)螺旋管道排出禀瓜。

　　2.1.3采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)母魺岽胧?/p>

　　機床床身采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和材料坝跃，可將切削熱的影響降到最低程度。如采用均衡溫度的結(jié)構(gòu)丹仅，將床身的左右兩側(cè)鹅昭、頂部和底部設(shè)計成四個相通的型腔并注人油液，即可保證整個床身具有相同的溫度贺壮。此外束湃，機床立柱與底座等基礎(chǔ)構(gòu)件采用對稱結(jié)構(gòu)并選用熱容量小的材料，主軸采用恒溫水冷裝置等仲它，都能提高機床的熱穩(wěn)定性宙娃。

　　采取適當(dāng)?shù)母魺岽胧┲敉洌缗判疾塾媒^熱材料制造，高速切削區(qū)采用絕熱罩來隔斷熱切屑等幻林，均可減少排屑過程中切屑傳遞給機床的熱量贞盯。

　　2.2高速干切削機床的主軸

　　主軸應(yīng)具有較高的轉(zhuǎn)速和較高的剛度，特別是動剛度沪饺，以適應(yīng)干切削過程中切削力增大躏敢、切削振動增強的影響，因此整葡，通過動態(tài)優(yōu)化的高速大功率的電主軸技術(shù)能有效適合高速干切削的要求件余，它采用內(nèi)藏式無外殼伺服電機直接驅(qū)動方式，消除了中間傳動鏈的影響遭居，可以獲得較高的主軸轉(zhuǎn)速啼器，而且還可以提高主軸的剛度和頻率響應(yīng)，抑制或降低主軸單元在干切削過程中的切削振動俱萍，同時采用陶瓷軸承以及先進的潤滑技術(shù)端壳，降低主軸在加工過程中的熱影響。主軸的密封技術(shù)也是實現(xiàn)高速干切削的重要因素枪蘑。目前损谦，在高速主軸設(shè)計中，采用動態(tài)優(yōu)化的電主軸結(jié)構(gòu)咆上，并結(jié)合通過熱平衡設(shè)計祝遗，循環(huán)內(nèi)冷卻技術(shù)和軸承的油氣潤滑技術(shù)，提高主軸單元的動剛度和熱穩(wěn)定性准贯。在防塵方面说拾，采用迷宮式非接觸結(jié)構(gòu)，并結(jié)合油氣潤滑中高壓氣體(0.4MPa)罪团，能有效防止加工中懸浮顆粒的侵人理若。

　　2.3高速干切削機床的進給單元

　　進給單元應(yīng)具有較高的剛度和較大的推力，很高的進給速度和良好的加減速特性嗤渔。目前主要有"伺服電機+大導(dǎo)程的高速滾珠絲杠副"和"直流直線電機直接驅(qū)動"。精密高速滾珠絲杠副最大的進給速度可達到50~80m/min霸篡，進給加速度可達0.5~1.5g;直線電動機直接驅(qū)動的進給單元的最大進給速度可達到100~200min薯湾，進給加速度可達3~10g。兩種進給系統(tǒng)均能滿足高速干切削加工的要求吹毫，其中直線電動機進給單元的加減速能力較強线满，是高速干切削加工的理想進給方式，但直線電動機在使用中存在承載力小龟卷、易發(fā)熱等問題同诫，有待改進粤策。

　　3  高速干切削的工藝技術(shù)

　　由于在高速切削條件下，59%~98%的切削熱將被切屑帶走误窖，切削力也可降低30%叮盘，因此，采用很高的切削速度進行加工可以取得與使用切削液相同的效果霹俺。日本牧野公司提出"紅月牙"干切削工藝技術(shù)柔吼，其機理是由于切削速度很高，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部丙唧，使切削區(qū)附近工件材料達到紅熱狀態(tài)愈魏，導(dǎo)致屈服強度明顯下降，從而提高材料去除率想际。

　　在一些加工中心在進行濕切削時丑炒，切削液的用量高達20-100L/h，為MQL潤滑油用量的6萬倍左右措铸。MQL潤滑的準干切削效果相當(dāng)好芬阀，現(xiàn)已十分流行。此外废含，還可在某些特殊氣體(如液氮)氛圍中進行干切削加工和低溫冷風(fēng)干切削加工讽渐。

　　4  結(jié)束語

　　高速干切削加工從根本上解決了切削液帶來的弊端，不僅有利于工人的健康和環(huán)境的保護锰玩，而且可以降低加工成本揭斥，無疑是一種很有發(fā)展前途的綠色加工工藝。

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