干切削作為新世紀(jì)的一種清潔、高效、安全的新的切削工藝，不僅降低切削本錢，而且避免了切削液對(duì)環(huán)境的污染。下來(lái)介紹了干切削發(fā)展的時(shí)代背景、原因并對(duì)干切削機(jī)床、干切削刀具和最小潤(rùn)滑等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
人類社會(huì)已經(jīng)邁進(jìn)新世紀(jì)，切削加工作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工藝，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)了以發(fā)展高速切削、開(kāi)發(fā)新的切削工藝和加工方法、提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。其主要趨勢(shì)有四個(gè)方面：(1)高速切削將成為切削加工的新工藝。(2)實(shí)現(xiàn)難加工材料(如奧氏體不銹鋼、高錳鋼、淬硬鋼、復(fù)合材料、耐磨鑄鐵等)加工技術(shù)的重大突破。(3) 滿足制造業(yè)對(duì)切削加工新技術(shù)和新產(chǎn)品需求。(4)環(huán)境保護(hù)對(duì)切削加工行業(yè)提出要求。實(shí)行“綠色工程”, 開(kāi)發(fā)“綠色制造技術(shù)”是新世紀(jì)切削加工發(fā)展的重要課題。切削加工中的切削液對(duì)環(huán)境的污染、對(duì)操縱者健康的傷害將成為治理重點(diǎn)。而隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，切削液用量越來(lái)越大。高生產(chǎn)率的生產(chǎn)企業(yè)中切削液在生產(chǎn)本錢中所占比例上升為13%至17%，因此高速切削派生的干切削應(yīng)運(yùn)而生，為新世紀(jì)提供一種清潔、高效、安全的新的切削方法，是對(duì)切削技術(shù)包括刀具材料、涂層、結(jié)構(gòu)的全面更新。干切削的關(guān)鍵技術(shù)包括：干切削機(jī)床、干切削刀具、刀具涂層技術(shù)、以及最小潤(rùn)滑技術(shù)等等。
一 干切削機(jī)床技術(shù)
干切削機(jī)床是從濕切削機(jī)床發(fā)展而來(lái)，拋棄了濕切削機(jī)床污染環(huán)境的缺點(diǎn)，必然導(dǎo)致了其整體結(jié)構(gòu)及布局的變化。主要體現(xiàn)在其對(duì)機(jī)床的隔熱性能、排屑速度、吸塵效果和機(jī)床的基礎(chǔ)件的三剛性要求等各方面有了更高的要求。
1干切削下機(jī)床面對(duì)的挑戰(zhàn)
切削液的主要作用是：冷卻、潤(rùn)滑和排屑。由于沒(méi)有切削液，干切削會(huì)產(chǎn)生以下幾種情況：①切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比濕切削更多的熱量，而這些熱量主要集中在切屑中，如不及時(shí)地從機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)中排出，就會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生嚴(yán)重的熱變形，影響工件的加工精度和機(jī)床工作的可靠性。②在干切削石墨電極等材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，如不能及時(shí)清除，會(huì)對(duì)操縱工人的身體健康造成嚴(yán)重?fù)p害，同時(shí)細(xì)微顆粒也會(huì)侵進(jìn)絲杠、軸承等關(guān)鍵部件，加大機(jī)床的磨損以及影響機(jī)床的加工精度和可靠性。③由于沒(méi)有切削液的潤(rùn)滑，干切削中的切削阻力會(huì)大大增加，相應(yīng)的振動(dòng)會(huì)增加。
二 干切削機(jī)床的基本布局
2 干切削機(jī)床的特性
由于干切削會(huì)產(chǎn)生前面所提到的情況，所以，干切削機(jī)床必須具有良好的散熱、排屑及吸塵裝置和具有良好三剛性的基礎(chǔ)部件。為了排屑方便，干切削機(jī)床應(yīng)盡可能采用立式主軸、傾斜式床身。工作臺(tái)四周采用傾斜的隔板，有助于熱切屑?jí)嬤M(jìn)排屑槽中，排屑槽采用隔熱材料，防止切屑熱量傳給機(jī)床部件，而且排屑槽輸出速度要快。而堆積在機(jī)床工作臺(tái)和其它支承部件上的熱切屑會(huì)造成機(jī)床的熱變形，所以需要一個(gè)吹氣系統(tǒng)直接作用在工作臺(tái)和夾具上，加速切屑?jí)嬤M(jìn)排屑槽中。由于干切削會(huì)在加工區(qū)產(chǎn)生非常高的熱量，會(huì)影響切屑的成型。過(guò)熱的高溫會(huì)導(dǎo)致形成帶狀和纏結(jié)狀的切屑，影響加工精度和降低工件表面質(zhì)量。所以還有必要在加工區(qū)設(shè)置溫度傳感器，用以監(jiān)控機(jī)床溫度場(chǎng)的變化情況。為了防止粉塵集聚，在加工區(qū)應(yīng)具有抽風(fēng)裝置，將加工產(chǎn)生的粉塵抽出到機(jī)床外部的過(guò)濾裝置，避免污染環(huán)境。機(jī)床的基礎(chǔ)件(即立柱、床身、工作臺(tái))的靜剛度、動(dòng)剛度和熱剛度要大。如床身可采用人造花崗巖等新材料整體制造，不僅三剛性好，而且減振效果明顯。干切削機(jī)床的基本布局如圖所示。
三干切削刀具
干切削由于不使用切削液，在加工區(qū)會(huì)產(chǎn)生比濕切削更多的熱量，同時(shí)工件材料的粘性也會(huì)加大。這些因素會(huì)大大縮短刀具壽命和降低工件表面質(zhì)量。所以干切削刀具在干切削過(guò)程中具有舉足輕重的地位。干切削刀具材料不僅要有很高的紅硬性和熱韌性，還必須要有良好的耐磨性、抗熱沖擊和抗熱粘性。對(duì)刀具材料、涂層技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)有更高的要求。
1干切削刀具材料
陶瓷刀具(Al2O3, Si3N4)、金屬陶瓷(Ceramet) 等材料的硬度在高溫下變化不大，具有很好的紅硬性，因此很適合于一般目的干加工而無(wú)須冷卻液。但是這類材料一般較脆，即熱韌性不好，故不適用于進(jìn)行斷續(xù)切削。也就是說(shuō)，陶瓷刀具較適用于進(jìn)行干車削而不適用于干銑削。立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等各具特點(diǎn)的超硬刀具材料也日益廣泛使用于干切削。
2干切削刀具的涂層技術(shù)
干切削刀具涂層技術(shù)是在刀具的刀體上涂上一層或多層不同性質(zhì)的材料，從而具有對(duì)刀具整體性能的加強(qiáng)和進(jìn)步的作用。涂層材料的化學(xué)穩(wěn)定性好、紅硬度高、盡熱性好等優(yōu)點(diǎn)而且能減少刀刃與工件表面的磨擦，起到潤(rùn)滑液的作用。刀具涂層技術(shù)發(fā)展迅速，涂層材料多達(dá)15種，有的刀具在刀體上的涂層多達(dá)13層。例如，日本三菱重產(chǎn)業(yè)公司的CNC GIVIDA滾齒機(jī)是日本第一臺(tái)采用全干切削技術(shù)的機(jī)床，用涂特殊鈦的高速鋼滾刀。而德國(guó)柏林大學(xué)進(jìn)行的采用PCD涂層刀具(HC+PCD)和未采用涂層的刀具(HW)的干車削對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究表明，涂層刀具(HC+PCD)在車削過(guò)程的切削力、推力以及進(jìn)給力都小于未涂層刀具(HW)。研究使用了原子力顯微鏡來(lái)分析刀具的內(nèi)部晶體的形態(tài)、特征、孔隙度以及分層粗糙度。從PCD涂層的原子力顯微鏡照片看出其晶體具有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)。研究得出PCD涂層刀具的耐磨性好于未涂層的刀具。PCD涂層較小的摩擦系數(shù)意味著它較適合干切削。
涂層刀具可分二大類：一類是“硬”涂層刀具，如TIN, TiC和Al2O3等涂層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TiC涂層刀具抗后刀面磨損的能力特別強(qiáng)；而TiN涂層刀具則有較高的抗“月牙洼”磨損能力。另一類是“軟”涂層刀具，如：MoS2，WS等涂層刀具。這類涂層刀具也稱為“自潤(rùn)滑刀具”，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01左右，能減少切削力和降低切削溫度。例如瑞士開(kāi)發(fā)的“MOVIC”涂層絲錐，刀具表面涂覆有一層MoS2。切削實(shí)驗(yàn)表明，未涂層絲錐只能加工20個(gè)螺孔；用TiAlN涂層絲錐時(shí)可加工1000個(gè)螺孔，而MoS2涂層的絲錐可加工4000個(gè)螺孔。而最近的研究表明金剛石涂層Si3N4刀具比未涂層Si3N4刀具的加工光潔度進(jìn)步一級(jí)，使用壽命進(jìn)步10倍以上。TiAlN是干切削常用的涂層材料，當(dāng)它與MoS2為基的“MOVIC”“軟”涂層結(jié)合起來(lái)可往得更好的效果。如表所示對(duì)熱處理鋼鉆孔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TiAlN+MOVIC涂層刀具比TiN涂層刀具使用壽命進(jìn)步了4倍，比TiAlN涂層刀具使用壽命進(jìn)步了1.66倍。
涂層對(duì)刀具壽命的影響
刀具壽命比涂層TiN改進(jìn)程度
TiN1000
TiAlN2400240%
TiAlN+MOVIC4000400%
注：該實(shí)驗(yàn)條件是采用0.3346英寸(8.5mm)金剛石鉆頭、鉆削深度1.0英寸(25.4mm)、線速度為395英尺/分(120m/min)、進(jìn)給量為0.07英寸/轉(zhuǎn)(1.78mm/r)。
3干切削刀具的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)
采用干切削還應(yīng)根據(jù)不同的加工條件考慮優(yōu)化刀具的結(jié)構(gòu)和凡何參數(shù)。刀具的兒何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足十切削對(duì)斷屑和排屑的要求。眾所周知，斷屑槽在韌性材料加工中對(duì)斷屑起著很關(guān)鍵的作用?？舍槍?duì)不同的工件材料和切削用量，設(shè)計(jì)相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，進(jìn)步切削工程中切屑折斷能力和對(duì)切屑活動(dòng)方向的控制能力。而在封閉空間進(jìn)行干切削(如干鉆削、干鉸削、干攻絲等)時(shí)，則應(yīng)增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度。例如德國(guó)的WZL(Werkzeugmaschinenlabor-RWTH Aachen)試驗(yàn)得出，在用硬質(zhì)合金鉆頭(HC-P+涂層TiN)干鉆削回火鋼[Ck45K(AL-Si1045)]，孔深30mm孔徑11.8mm，切削速度：vc=80m/min，每次進(jìn)給量f=0.2mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)鉆頭只能鉆削約400個(gè)孔，而經(jīng)過(guò)優(yōu)化加寬鉆頭排屑槽幾何外形的鉆頭可鉆削高達(dá)2200個(gè)孔，上風(fēng)明顯。
其次，干切削還可采用一些特殊的刀具(如熱管刀具和自冷卻刀具)來(lái)降低刀具溫度，進(jìn)步刀具的耐用度。
4準(zhǔn)干切削與最小潤(rùn)滑技術(shù)
近年來(lái)干切削急速發(fā)展，在對(duì)不能用純粹的干切削加工的材料加工時(shí)，可采用最小潤(rùn)滑技術(shù)(Minimal quantities of lubrication (MQL) )進(jìn)行切削．這種使用微量冷卻液的方法被稱為“準(zhǔn)干切削”?！捌眹婌F冷卻切削就是一種典型的“準(zhǔn)干切削”。該方法是將一定壓力(0.3～1MPa)的壓縮空氣與微量的潤(rùn)滑液(50～125ml/h)混合霧化后形成油霧，然后高速噴射到切削區(qū)，對(duì)加工接觸面進(jìn)行充分有效的潤(rùn)滑，同時(shí)液體氣化吸收大量的熱量，工件仍然保持表面干燥團(tuán)。MQL 方式分以下三種：1)內(nèi)部潤(rùn)滑；2)外部潤(rùn)滑；3)介質(zhì)潤(rùn)滑。
眾所周知，高速銑削鋁合金、銅合金等輕合金具有切削力和切削功率小、切屑短、切削不蜷曲等獨(dú)到的上風(fēng)。用涂層硬質(zhì)合金、多晶金剛石等刀具在高速下切削輕合金材料，刀具磨損小，可以達(dá)到很高的刀具壽命；而在切削熔點(diǎn)低、高速下粘性大的材料則需要采用最小潤(rùn)滑(MQL )和涂層刀具的方法，在近乎完全干切削的情況下，可采用很高的切削速度和進(jìn)給 速度進(jìn)行加工，切削速度可高達(dá)1000～7500m/min，不用再經(jīng)過(guò)任何加工或手工研磨，零件即可得到很高的表面質(zhì)量。例如德國(guó)的(Werkzeugmaschinenlabor-RWTH Aachen)試驗(yàn)得出，采用硬質(zhì)合金刀具[HC+涂層(TiAlN+MoS2)]鉆削鋁合金(AlSi9Cu3) , 孔徑8.5mm，盲孔(blind hole)深30mm切削速度vc=300m/min ，每次進(jìn)給量f=0.5mm該實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行完全干鉆削的刀具只加工了16個(gè)孔，而采用了MQL技術(shù)的刀具加工了128個(gè)孔，是前者的8倍之多。由此可見(jiàn)在加工鋁合金時(shí)，完全有必要采用MQL技術(shù)。
四總結(jié)
干切削作為一種新的切削工藝與高速切削是相輔相成的。它不僅降低了切削本錢，也避免了環(huán)境的污染。干切削技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及刀具、機(jī)床、工藝、材料和生產(chǎn)治理諸多方面的改革和創(chuàng)新。必須夸大一點(diǎn)，干切削是把切削刀具、加工中心結(jié)構(gòu)參數(shù)和加工策略等要素綜合于一體的加工新工藝。針對(duì)不同的切削條件和切削材料應(yīng)充分權(quán)衡以上三要素在可節(jié)約的加工本錢和可得到的加工效果間的利弊，然后制定正確的加工方案。各種超硬、耐高溫刀具材料及其涂層技術(shù)的迅猛發(fā)展，為干切削技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件；最小量潤(rùn)滑裝置的有效應(yīng)用和各種帶中心小孔的孔加工標(biāo)準(zhǔn)刀具的出現(xiàn)，再與新型機(jī)床相結(jié)合，必將促進(jìn)干切削技術(shù)的迅猛發(fā)展。
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