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高速干切削加工技术[摘要]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节约资源、保护环境的目的。
[关键词]机械加工切削液高速干切削加工技术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(Dry cutting)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。
干式切削与干式切削刀具干切削对刀具有更高的要求，如刀具的材料、刀具的结构以及刀具涂层。
在传统的切削加工中，湿切削中的切削液占有紧要的地位，但也存在着很多弊端。
例如，维持一个大型的切削液系统需花费很多资金，同时需要定期添加防腐剂，更换切削液等，因而加添了很多费用，其费用比例已占总生产成本的15%～17%，而刀具成本通常只占总成本的2%～5%。
加之由于切削液中的有害物质，对工人的健康造成危害，造成环境污染等。
所以，它的使用带来了越来越多的问题。
从这些方面来说，干切削具有更多优势。
干切削中的刀具应有更优异的耐高温性能（热硬性）和耐磨性能，目前的刀具材料中，如新型硬质合金、陶瓷、CBN和PCBN等有充足的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。
而且，现代切削刀具材料应用于高速加工时更适合干切削。
像CBN和先进的硬质合金材质等级，尤其是有涂层保护的刀具材料，在高速高温下不使用切削液实际上切得更有效率和寿命。
干切削对刀具材料的要求干切削的刀具材料必需要有优良的热硬性和耐磨性，以可有效地承受切削过程的高温；较低的摩擦系数，以可降低刀具与切屑与工件表面之间的摩擦抑制切削温度的上升；较高的强度和耐冲击性能，以可承受更大的切削力和更差的切削条件。
要实现干切削，刀具材料有高的耐热性能（热硬性）和耐磨性能尤为必需。
目前立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）、金刚石、聚晶金刚石（PCD）、陶瓷（A12O3、Si3N4）、金属陶瓷（CERAMIC）、超细晶粒硬质合金和硬质合金涂层等刀具材料已广泛用于干切削之中。
伊斯卡近两年开发了浩繁可用于干切削的刀具材料：IB90及IB85，CBN含量高达85%和90%，刀片的耐磨性和韧性高，能应对断续切削所带来的震动，推举用于铸铁的高速切削及淬硬钢的断续切削及粗加工。
低CBN含量的牌号，IB55，IB50，CBN含量为50%和55%，更适合于半精加工及精加工。
IB10H属于超细晶粒的CBN，耐磨性和韧性更高，用于高速连续切削，可获得高的表面质量；IB20H细晶粒及中等晶粒CBN，用于连续—细小断续切削加工；还有IB10HC、IB25HC和IB25HA涂覆TiN、Ti（C,N,O）和Ti（C,N），应用于各种对应的场合。
干切削的关键技术作者：李大为商皓来源：《城市建设理论研究》2013年第04期【摘要】干切削加工从根本上解决了切削液带来弊端，极大地节约加工成本，保护生态环境，还对传统湿加工生产方式进行批判挑战。
绿色加工技术，是面向21 世纪前沿制造技术。
随着机床技术和相关工艺研究的深入，干切削技术必将成为金属切削加工的主要方向。
本文介绍了干切削技术产生的历史背景，阐明了干切削的关键技术。
【关键词】干切削关键技术中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：干切削技术，通常都指不使用切削液来进行切削加工的技术方法，相对传统使用切削液加工（湿加工）方法而言，今天更应该从广义上来理解干切削技术：只要加工过程不使用切削液或使用微量切削液，加工出工件形成切屑干燥、“干净”（清洁）且能保证加工质量方法，就可归结为干切削技术范畴。
如采用最小量润滑技术（Minimal Quantity Lubrication，MQL）法加工时，工件切屑可保持干燥，过去文献称之为“准干切削”（Near- Dry cutting），实际上从广义来说，可认为其属于干切削范畴。
干切削技术可表述为：切削过程不使用切削液或使用微量切削液，加工出工件形成切屑干燥、“干净”（清洁）的高精度、高效率先进加工技术。
干切削技术起源并盛行于西方发达工业国家，目前德国、美国和日本等在干切削技术研究和应用方面处于国际领先地位。
据统计德国的制造业已有20%以上的机械加工采用干切削技术；日本已成功开发了使用液氮冷却的干切削系统并应用于高速加工中心；美国政府实行严格的环保法规，更促使其制造业不得不更多地考虑应用干切削技术。
我国干切削技术的研究虽起步较晚，但也取得了一些成果。
我们知道干切削技术的最大难点在于如何提高刀具在干切削中的性能，同时也对机床结构、工件材料及工艺过程等提出了新的要求。
而成都工具研究所、山东工业大学、清华大学及北京机床研究所等单位已对超硬刀具材料、刀具涂层技术及高速加工中心进行过系统研究及成功开发。
前言随着高速加工技术的迅猛发展，加工过程中使用的切削液用量越来越大，其流量有时高达80～100L/min。
但大量切削液的使用造成了非常突出的负面影响：(1)零件的生产成本大幅度提高，在零件加工的总成本中，切削液费用约占16% ，而刀具的费用只占总成本的4%。
(2)造成对环境的严重污染，如把未经处理的切削液排入江河湖海，就会污染土地、水源和空气，严重影响动植物的生长，破坏生态环境。
(3)直接危害车间工人的身体健康，目前生产中广泛使用的水基切削液含有对人体有害的化学成分。
在切削(磨削)过程中，切削液受热挥发形成烟雾，在车间常常弥漫着难闻的异味，会引起操作工人肺部和呼吸道的诸多疾病，人手和切削液直接接触，还会诱发多种皮肤病，直接影响工人健康。
上述负面影响，已成为机械工业发展的一大障碍。
这就使人们会提出这样一个问题：机械加工中能不能不用或少用切削液呢？干切削(Dry Cutting)技术就是在这样的历史背景下应运而生，并从90年代中期以来迅速发展起来的。
干切削技术起源于欧洲，目前在西欧各国也最为盛行。
据统计现在已有8%左右的德国企业采用了干切削技术。
到2003年，德国制造业将有20%以上采用干切削技术。
在干切削研究和应用方面，目前德国处于国际领先地位。
日本已开发成功不使用切削液的干式加工中心。
装有液氮冷却的干切削系统，从空气中提取高纯度氮气，常温下以5～6个大气压的压力将液氮送往切削区，可顺利实现干切削。
我国成都工具研究所、山东工业大学和清华大学等单位对超硬刀具材料及刀具涂层技术进行过系统的研究，陶瓷刀具在我国目前已形成了一定的生产能力，这些都为干切削技术的研究与应用打下了初步的技术基础。
北京机床研究所最近开发成功了能实现高速干切削的KT系列加工中心。
2 切削液的功能和实现干切削的主要难点干切削并不是简单地停止使用切削液就能实现的。
必须分析在停用切削液以后，会出现什么问题？应采取什么措施来消除这些不利影响？为此，首先应对切削液在机械加工中的作用和功能有一个全面、深入的认识。
在机械加工中，切削液主要有三大功能：1.润滑功能——当切削液进入切削区以后，它就会渗入到刀具、工件和切屑之间的接触面，形成一层润滑膜。
这层润滑膜可减少切削过程的摩擦，减小切削力，减轻切屑与刀具的粘结现象并抑制积屑瘤的产生，有利于改善加工表面技术质量。
2.冷却功能——切削过程所消耗的能量90%以上都转化为切削热。
切削液能有效地把切削热从机床的加工区迅速带走，从而大大降低机床切削区的温升，提高刀具的耐用度和工件的加工精度。
3.协助排屑与断屑——切削液作为高压大流量的冲洗剂，能把细小的切屑冲离工件或刀具，将切屑迅速从机床中排出，以利于提高零件的加工精度和刀具的使用寿命。
带状切屑则主要靠刀具的几何结构来实现断屑，但高压切削液对断屑和排屑也起一定的辅助作用。
进行干切削时，由于缺少了切削液的上述润滑、冷却和辅助排屑与断屑等作用，因而切削热会急剧增加，机床加工区温度明显上升，刀具耐用度大大降低。
要使干切削得以顺利进行，达到或超过湿加工时的加工质量、生产率和刀具耐用度，就必须从刀具、机床和工件各方面采取一系列的措施。
因此干切削技术是一项庞大的系统工程，其中最大的难点在于如何提高刀具在干切削中的性能，同时也对机床结构、工件材料及工艺过程等提出了新的要求。
3 干切削的刀具技术刀具能否承受干切削时巨大的热能，是实现干切削的关键。
主要措施有：1. 采用新型的刀具材料干切削不仅要求刀具材料有很高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。
图1列出了几种刀具材料的硬度与温度的关系。
由图可见，陶瓷刀具(Al 2O 3，Si 3N 4)、金属陶瓷(Cermet)等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削。
可是这类材料一般较脆，热韧性不好，不适用于进行断续切削。
立为氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)、超细晶粒硬质合金等超硬刀具材料则广泛用于干切削。
2. 采用涂层技术对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。
涂层刀具分两大类：一类是“硬”涂层刀具，如TiN 、TiC 和Al 2O 3等徐层刀具。
这类刀具表面硬度高，耐磨性好。
另一类是“软”涂层刀具，如：MoS 2、WS 等涂层刀具，这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能减小切削力和降低切削温度。
切削实验表明，无涂层丝锥只能加工加20螺孔；用TiAlN 涂层丝锥时可加工1000个螺孔，而MoS 2涂层的丝锥则可加工4000个螺孔。
高速钢和硬质合金经过PVD 涂层处理后，可以用于干切削。
原来只适用于进行铸铁干切削的CBN 刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合。
.实际上，涂层有类似于冷却液的功能．它产生一隔热层，使热不会或很少传入刀具，从而能在较长的时何内保持刀尖的坚硬和锋利。
涂层还有在高速干切削中保待刀具材料不受化学反应的作用。
在发展干切削技术过程中，要特别注意涂层刀具的有效应用。
3. 优化刀具参数和切削用量图1 不同材料硬度与温度的关系刀具的几何参数和结构设计必须满足干切削对断屑和排屑的要求。
断屑槽在韧性材料加工中对断屑起着很关键的作用。
目前在车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量，很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。
高速加工有切削力小、散热决、加工过程稳定性好等优点，高速切削技术与干切削技术的有机结合，将获得生产效率高、加工质量好和无环境污染等多重利益。
4 干切削的机床技术设计干切削机床时要考虑的特殊问题主要有两个：一个是切削热的散发；另一个是切屑和灰尘的排出。
干切削时在机床加工区产生的热量较大，如不及时从机床的主体结构排出去，就会使机床产生热变形，影响工件加工精度和机床工作可靠性。
对于一些无法排出的热量，则相关部件应采取隔热措施。
为了便于排屑。
干切削机床应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身。
工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成．将大量热切屑直接送入螺旋排屑槽。
采用吸气系统可防止工作台和其它支承部件上热切屑的堆积内置的循环冷气系统用以提高机床工艺系统的热稳定性。
在加工区的某些关键部位设置温度传感器，用以监控机床温度场的变化情况，必要时通过数控系统进行精确的误差补偿。
过滤系统可将干切削过程中产生的尘埃颗粒滤掉并被抽风系统及时吸走。
产生灰尘的加工区应和机床的主轴部件及液压、电气系统严加隔离。
此外还可以通过对这些部件施加微压，以防止灰尘的侵入。
对铝合金或纤维等增强塑料进行干切削时，必须采用高速加工中心或其它高速数控机床，其主轴转速一般高达25000～60000r/min，主电动机功率25～60kW，通常都采用“电主轴”的传动结构方式；进给速度高达60～100m/min，加速度2～8g(g=9.81m/s2)．为普通数控机床的10倍以上，现已逐步用直线伺服电动机替代滚珠丝杠来实现高速进给运动。
5 干切削的工艺技术工件材料在很大程度上决定了实施干切削的可能性。
干切削的“工件材料/加工方法”的组合如下表所示。
由表可见，削。
铝合金传热系数高，在加上过程中会吸收大量的切削热；热膨涨系数大，使工件发生热变形；硬度和熔点都较低，加工过程中切屑很容易与刀具发生“胶焊”或粘连，这是铝合金干切削时遇到的最大难题。
解决这难题的最好办法是采用高速干切削。
在高速切削中，95%～98%的切削热都传给了切屑，切屑在与刀具前刀面接触的界面上会被局部熔化．形成一层极薄的液态薄膜，因而切屑很容易在瞬间被切离工件，大大减小了切削力和产生积屑瘤的可能性。
工件可以保持常温状态，既提高厂生产效率，又改善了铝合金工件的加工精度和表面质量。
为了减少高温下刀具和工件之间材料的扩散和粘结，应特别注意刀具材料与工件之间的合理搭配。
例如，金刚石(碳元素C)与铁元素有很强的化学亲合力，故金刚石刀具虽然很硬，但不宜于用来加工钢铁工件；钛合金和某些高温合金中有钛元素，因此也不能用含钛的涂层刀具进行干切削。
又如PCBN刀具能够对淬硬钢、冷硬铸铁和经过表面热喷涂的硬质工件材料进行干切削，而在加工中、低硬度的工件时，其刀具寿命还不及普通硬质合金的寿命高。
硬车是一种“以车代磨”的新工艺，用于某些不适宜进行磨削的回转休零件的加工，是一种高效的干切削技术。
在对氮化硅(Si 3N 4)工件进行硬车时．由于该材料有极高的抗拉强度，使任何刀具都很快破损。
可采用激光辅助切削，用激光束对工件切削区进行预热(见图2)，使工件材料局部软化(其抗拉强度由750MPa降至400MPa)，则可减小切削阻力30%～70% ，刀具磨损可降低80%左右，干切削过程中的振动也大为减小．大大提高了材料切除率．使干切削得以顺利进行。
钛铝钒合金(Ti6Al4V)和反应烧结氮化硅(RBSN)是典型的难加工材料，其传热系数很小，干加工中产生大量的热，使刀具材料发生化学分解，刀具很决磨损，图3所示为用液氮冷却刀具加工这类材料的新方法。
在车刀前刀面上倒装了个金属帽状物，其内腔与刀片的上表面共同组成一个密闭室。
帽状物上有液氮的入口和出口。
在干切削过程中，液氮不断在密闭室中流动，吸收刀片上的切削热，使刀具不产生过高的温升．始终保持良好的切削性能，顺利实现干切削。
图4是用PCBN 刀具加工RBSN 工件材料时刀具磨损量的实验结果。
在不使用液氮冷却刀具时PCBN 刀具车削长度仅40mm ，后刀面磨损量便高达3mm，切 图2 激光辅助干切削图3 用液氮冷却刀具图4 PCBN 刀具在车削RBSN 材料后的刀具磨损削无法再进行下去。
采用上述液氮装置后，刀具磨损情况大为改善，车削长度160mm 后，后刀面仅磨损0.4mm。
被加上工件的圆度误差也从20μm减至3.2μm。
液氮是一种很容易获得的原料价格便宜还可以反复使用。
6 准干切削纯粹的干切削有时很难进行，此时可采用最小量润滑技术(Minimal Quantity Lubrication)，简称MQL。
这种方法是将压缩空气与少量润滑液混合气化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行润滑。
MQL技术可以大大减少“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、防止粘连和提高工件加工质量的作用。
它所使用的润滑液很少．而效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染。
例如用(Ti, Al)N+MoS2徐层刀具对铝合金工件进行纯粹的干切削时．刀具钻16个孔后，切屑就粘结在钻头容屑槽中，使刀具完全不能使用。
采用MQL技术后．钻孔数高达320个．钻头也还没有发生明显的磨损或粘连，加上出来的所有孔都满足要求。
MQL法所使用的润滑液用量一般为0.03～0.2L/h ，约为湿切削的6万分之一。
