前言

　　高速切削加工因具有增進生產(chǎn)效率聂使、減少切削力壁拉、提高加工精度和表面質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本柏靶，且可加工高硬材料等諸多優(yōu)點弃理，已在航空、汽車铛田、模具等制造業(yè)界得到廣泛應(yīng)用挂蹦，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。在高速加工中逻盅，通常都大量使用切削液盔连，以發(fā)揮其潤滑琢账、冷卻阻羞、排屑作用。但隨著綠色制造蟆蔫、清潔制造等生產(chǎn)理念的成熟忘拧，人們越來越清醒地意識到大量使用切削液所帶來的負面影響：① 零件的生產(chǎn)成本大幅度提高。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明凿芦，在零件加工總成本中溃擒，切削液費用約占16%，而刀具費用只占總成本的4%铝框。② 造成對環(huán)境的嚴重污染叮洋，破壞生態(tài)環(huán)境磁携，不利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。③ 直接危害車間工人的身體健康良风。為提高產(chǎn)品競爭力谊迄，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與社會效益的統(tǒng)一，本研究探討將高速切削加工和干切削技術(shù)有機結(jié)合的高速干切削技術(shù)烟央，對于實現(xiàn)綠色制造及指導(dǎo)業(yè)界的生產(chǎn)统诺，具有重要的現(xiàn)實意義。

　　1 高速干切削技術(shù)的內(nèi)涵

　　在所見論述干切削技術(shù)的文獻中疑俭，干切削技術(shù)通常都是指不使用切削液來進行切削加工的技術(shù)方法粮呢，是相對于傳統(tǒng)的使用切削液加工(濕加工)方法而言的。筆者認為這只是狹義上的干切削技術(shù)钞艇，今天更應(yīng)該從廣義上來理解干切削技術(shù)：只要是在加工過程中不使用切削液或很少使用切削液啄寡，加工出的工件和形成的切屑是干燥的、“干凈”(清潔)的且能保證加工質(zhì)量的方法就應(yīng)歸人干切削技術(shù)范疇香璃。如采用最小量潤滑技術(shù)(Minimal Quantity Lubrication)法加工時这难，工件和切屑可保持干燥，過去稱之為“準干切削”(Near-Dry cutting) 葡秒，實際上從廣義來說躲窜，可認為其屬于干切削范疇。所以高速干切削技術(shù)可表述為：高速干切削技術(shù)是使用高速切削加工方法捺膳，在切削過程中不使用切削液或使用微量切削液咧笔，加工出的工件和形成的切屑是干燥的、“干凈”(清潔)的高精度诵两、高效率的先進加工技術(shù)垂票。

　　2 高速干切削技術(shù)實現(xiàn)方法

　　要實現(xiàn)高速干切削技術(shù)，就要研究用相關(guān)的技術(shù)手段在加工過程中復(fù)現(xiàn)渔茉、替代切削液的潤滑育需、冷卻、排屑的功用牡违，以消除因缺少切削液而產(chǎn)生的刀具與工件阎揪、切屑之間摩擦的增加，以及由此引起的刀具壽命下降蛛最、工件加工質(zhì)量變差等問題海庆，從而順利進行干切削加工，達到或超過濕加工時的生產(chǎn)率磨镶，并提高加工質(zhì)量溃蔫、刀具耐用度。這些可以從包括機床、刀具伟叛、工藝等在內(nèi)的幾個方面來實現(xiàn)私痹。

　　2.1 高速干切削的機床技術(shù)

　　從機床技術(shù)角度出發(fā)實現(xiàn)高速干切削技術(shù)，主要考慮的問題是：① 切削熱迅速散發(fā)统刮；② 切屑和灰塵的快速排出侄榴；③ 采用不同的工藝方法時輔助設(shè)備的安裝等。

　　采用高速機床

　　高速加工能使切削力降低30%左右网沾，90%以上的切削熱由切屑帶走川癞蚕，工件可基本保持室溫狀態(tài)，特別適合加工后容易熱變形的工件辉哥。并且激振頻率遠高于機床和工藝系統(tǒng)的固有頻率桦山，加工過程平穩(wěn)，振動小醋旦，銑削和車削可達到磨削的質(zhì)量水平恒水。高速加工的這些優(yōu)點可彌補干切削的一些不足，二者的有機結(jié)合可實現(xiàn)高效俗耗、優(yōu)質(zhì)姑郊、無污染的加工。這也正是使用高速干切削技術(shù)的初衷缝聋。

　　機床結(jié)構(gòu)排屑裝置設(shè)計

　　實現(xiàn)快速排屑結(jié)構(gòu)設(shè)計的最可靠的方法之一就是改造機床結(jié)構(gòu)裂膛，使切屑能利用自身重力自動、快速地排出废徙。這種方法只需要在原機床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改造紧贪，在機床工作間內(nèi)預(yù)留出一定的排屑空間，去除工作間內(nèi)容易滯留切屑的平臺或溝槽爵孔√俑茫或者直接把原來普通機床的主軸、刀架改為立式布置神阔，也能實現(xiàn)快速排屑里状，這樣工件在切削時就被倒置在工作間里，切屑被切離工件后自然落下吩捞。這種結(jié)構(gòu)上的改造不但能可靠地實現(xiàn)快速排屑鳞编，而且?guī)缀醪辉黾訖C床的造價，因此得到了廣泛交惯、迅速的應(yīng)用次泽。

　　干切削會比傳統(tǒng)切削產(chǎn)生更多的灰塵和細小切屑穿仪，這些灰塵和細小切屑一旦進人機床運動副席爽，會加劇機床部件的磨損，若進人機床電氣控制線路，則可能造成短路只锻。所以應(yīng)對機床主軸玖像、導(dǎo)軌等精密運動部件進行密封，必要時設(shè)計真空齐饮、吹氣或虹吸裝置來排塵及輔助排屑捐寥，以保證切削過程的順暢。

　　遵循模塊化設(shè)計原則

　　由于加工方法和工件特性的差異祖驱，進行干切削加工時可能需要用到不同的輔助設(shè)備(如MQL技術(shù)中的噴油潤滑裝置握恳、激光輔助加工中的激光輔助裝置等)。所以機床結(jié)構(gòu)應(yīng)實行模塊化設(shè)計捺僻，將各種輔助裝置與機床主體之間的接口標準化乡洼，使機床能方便地實現(xiàn)不同的工件與切削方法的組合。

　　2.2 高速干切削的刀具技術(shù)

　　由于不使用切削液嚼讹，干切削的切削區(qū)失去了切削液冷卻扛焊、潤滑，干切削時的切削溫度比普通濕切削時的切削溫度要高很多脊腺，刀具與切屑間的摩擦增大崎绽，加劇了刀具的磨損。刀具能否承受干切削時巨大的熱能茉园，是實現(xiàn)干切削的關(guān)鍵宅殿。只有采用高熱剛度、高硬度汁讹、高沖擊韌性的刀具材料依矿，結(jié)合涂層技術(shù)以及對刀具參數(shù)和切削用量進行優(yōu)化，才能夠可靠地實現(xiàn)高速干切削漏北。

　　采用性能優(yōu)越的刀具材料

　　干切削不僅要求刀具材料具有極高的紅硬性和熱韌性范蛉，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性舵牛。超細顆粒硬質(zhì)合金份噪、金屬陶瓷、陶瓷(Al2O3援制，Si3N4)戏挡、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)等都具有較高的紅硬性和耐磨性晨仑，是目前應(yīng)用最為普及的幾種干切削刀具材料在選用這些刀具材料時褐墅，應(yīng)與加工材料的性質(zhì)、加工方法結(jié)合起來綜合考慮洪己。

　　超細顆粒硬質(zhì)合金特別能承受較高溫度的切削妥凳，具有較高的強度和沖擊韌度竟贯，適用于制作干切削用的鉆頭和銑刀。金屬陶瓷的硬度和沖擊性好逝钥，但熱硬性差屑那，大多用于精加工和半精加工。陶瓷具有硬度高艘款、化學(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性好持际、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，是相對廉價的干切削刀具材料哗咆，但其強度搂物、韌性和抗沖擊性能差，適用于灰鑄鐵和鋼的高速干切削读铁。CBN 的硬度和耐磨性僅次于金剛石姥咖，有優(yōu)良的紅硬性北學(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時的理想刀具材料身犯。PCD刀具有很高的硬度和熱導(dǎo)率碟灾，適合高速干切削有色金屬合金(如銅合金、鋁合金以及鈦合金)與纖維增強塑料等復(fù)合材料动娄，但不能加工黑色金屬倾秤。

　　上述材料又大都有脆性比較大的缺點，但是干切削相對于傳統(tǒng)濕切削而言篓疚，消除了由于切削液使用不連續(xù)或冷卻不均造成的熱沖擊衬朗，因此對使用這些脆性較大的超硬刀具材料更為有利。

　　采用涂層技術(shù)

　　對刀具進行涂層處理掂演，是提高刀具性能的重要途徑捧贺。涂層刀具是當今高速干切削最常用的刀具。在切削過程中涂層可以取代切削液的兩大作用是：① 提供低摩擦層栓拜，取代切削液的潤滑作用座泳；② 提供低導(dǎo)熱率層以抵抗切削熱向刀具傳播，取代切削液冷卻刀具的作用幕与。

　　涂層刀具可分為“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具挑势。涂層刀具的基體一般是韌性較好的硬質(zhì)合金，“硬”涂層刀具是在基體上涂上一層或多層TiC啦鸣、TiN潮饱、TiAlN和Al2O3之類的耐磨硬涂層，起耐熱和隔熱的熱屏障作用诫给。這類刀具表面硬度高香拉、耐磨性好。其中中狂，TiC涂層刀具抗后刀面磨損的能力特別強凫碌，而TiN涂層刀具則有較高的抗“月牙洼”磨損能力扑毡。另一類是“軟”涂層刀具，也稱為“自潤滑刀具”证鸥，如MoS2、WS等涂層刀具勤晚。這類刀具與工件材料的摩擦系數(shù)很低四酱，只有0.01左右，能減少切削力和降低切削溫度倘粮。

　　在高速干切削中扑详，常常采用多層復(fù)合涂層刀具。把硬涂層和軟涂層結(jié)合在一起乱一，即在一道涂覆工序中采用兩種物理氣相沉積(PVD)工藝涕留，先產(chǎn)生硬涂層TiAlN，然后再在其上面通過采用濺射法產(chǎn)生WC/C軟涂層之搅，可以有效提高刀具使用壽命唁返。目前新涂層技術(shù)得到了長足的發(fā)展，如高硬度丹叨、高熱穩(wěn)定性的金剛石薄膜涂層辨迷，由多種涂層材料的不同組合構(gòu)成的納米級涂層和為被加工材料量身定做的專用涂層等。相比較而言洁乏，納米級涂層和專用涂層可以通過合理設(shè)計使刀具的硬度和韌性顯著增加袁暗，使其具有優(yōu)異的抗磨損及自潤滑性能，適合用于各種材料的干切削倍试。

　　優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和切削用量設(shè)計的刀具結(jié)構(gòu)應(yīng)耐磨損讯屈、耐沖擊。干切削過程中刀具與切屑接觸區(qū)域的溫度升高县习，容易導(dǎo)致干切削刀具的月牙洼磨損失效涮母。因此，通常干切削刀具具有大的前角和刃傾角躁愿，以減少切屑與前刀面的接觸面積哈蝇，使切屑帶走大量熱量。干切削的高硬刀具材料一般都有較大的脆性攘已，前角增大后刀刃強度又會降低炮赦，此時應(yīng)配合以適宜的T型刃帶、強化刃口以加強刀刃強度样勃，采用適宜的負倒棱或前刀面加強單元來加強支承吠勘，分散壓力。

　　刀具的幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計還應(yīng)滿足干切削對斷屑和排屑的要求峡眶。特別是對韌性材料的加工來說剧防，斷屑非常關(guān)鍵植锉。目前車刀三維曲面斷屑槽的設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量爹舱，快速設(shè)計出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸奕截，大大提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。在封閉空間進行干切削(如干鉆削皿遏、干鉸削噪境、干攻螺紋等)時，應(yīng)增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度丧忍。
由于高速切削加工具有切削力小半泪、散熱快、加工過程穩(wěn)定性好等優(yōu)點参挨，在干切削的切削用量選擇中效勺，應(yīng)盡可能采用較大的切削用量。

　　2.3 高速干切削的工藝技術(shù)

　　干切削和高速切削技術(shù)一樣亮蜓，還不是一項通用技術(shù)嘉容，高速干切削技術(shù)的應(yīng)用受工藝條件、工件材料和加工類型影響挠囚，有些加工適宜采用干式切削殉酬，有些則不宜，在制定工藝時應(yīng)作具體分析伞辛。高速干切削的工藝技術(shù)還在發(fā)展中烂翰，目前已有一些成熟的加工工藝方法。

　　加工鑄鐵的“紅月牙”(Red Crescent)技術(shù)蚤氏。這種方法是利用陶瓷或CBN刀具進行高速加工甘耿，聚集在刀具前端的熱量使工件達到赤熱狀態(tài)，降低了工件的屈服強度竿滨，達到增大切削速度和進給速度的要求佳恬，從而大大提高了切削效率。

　　MQL方法于游。這種方法是將壓縮的空氣與少量的潤滑液混合氣化后毁葱，噴射到加工區(qū)，對刀具和工件之間的加工部位進行有效的潤滑贰剥。MQL技術(shù)可以大大減少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之間的摩擦倾剿，起到抑制溫升、降低刀具磨損蚌成、防止粘連和提高工件加工質(zhì)量的作用前痘。MQL使用的潤滑液是對人體健康無害的植物油或脂油，其用量極少秕刊，一般為0.03～0.2L/h崎爽，而1臺典型的加工中心在進行濕切削時俺埋，切削液的用量高達20～100L/min ，是MQL潤滑油用量的6萬倍左右摹撰。

　　液氮冷卻干切削和激光輔助干切削的工藝技術(shù)俄脂。液氮冷卻技術(shù)的機理是采用液態(tài)氮冷卻刀具的切削部位，吸收切削時的發(fā)熱量行翘，始終保持刀具在干切削下的優(yōu)良切削性能相吭，已在生產(chǎn)實踐中用于難加工材料欽合金TC4的加工。而激光輔助干切削的工藝技術(shù)是用改善工件材料被切削部位的物理力學(xué)性能催锯、減少加工時的切削阻力來實現(xiàn)干切削的滴练。如在對氮化硅(Si3N4)工件進行硬車削時芋妻，采用激光束對工件切削區(qū)進行預(yù)熱孵熏，使工件材料局部軟化，可減少30～70%的切削阻力昭礁，改善了材料的可加工性捺氢，刀具磨損可降低80 %左右。干切削過程中的振動也大為減少剪撬，大大提高了材料的切除率摄乒，使干切削得以順利進行。

　　3 結(jié)束語

　　高速干切削加工從根本上解決了切削液具有的弊端残黑，是一種綠色加工技術(shù)馍佑，是面向21世紀的前沿制造技術(shù)。干切削技術(shù)與高速切削技術(shù)的有機結(jié)合梨水，將獲得生產(chǎn)率高拭荤、加工質(zhì)量好和無環(huán)境污染等多重利益。

　　高速干切削加工技術(shù)是一項系統(tǒng)技術(shù)疫诽，無論在認識觀念或技術(shù)上都還有許多困難和障礙需要克服舅世，需要進行長期的努力，才能使這項加工技術(shù)日臻成熟奇徒。

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