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新型加工方式
新型加工方式（干切削）发展现状
干切削的发展现状
摘要：
干切削作为21世纪的一种清洁、高效、安全的新的切削工艺，不仅可以降低切削成本，而且避免了切削液对环境的污染。
本文论述了干切削发展的时代背景、原因、其关键技术和发展现状。
关键词：
干切削、机床、刀具、涂层、工艺、绿色制造。
前言：
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。
由此可见：
干切削加工技术将成为未来加工技术的发展方向之一。
干切削并不是简单地取消切削液就能实现，有意义且经济可行的干切削加工要求仔细分析特定的边界条件和掌握干切削加工的复杂因素，并为干切削工艺系统的设计提供所需的技术数据。
干切削加工刀具工作条件恶劣，寿命缩短。
因此，须合理选择刀具材料及涂层，设计合理的刀具几何参数。
本文分析干切削加工的特点，提出了干切削对刀具的具体要求，讨论了干切削刀具的设计要点。
1、概述
干切削技术是对传统生产方式一个重大创新，是一种崭新清洁制造技术。
世界各国日益严厉的环保法规，有利于加速干切削技术推广与应用；各种超硬、耐高温刀具材料及其涂层技术发展，为干切削技术创造了极为有利条件；微量润滑装置有效应用于各种心小孔孔加工标准刀具出现，使准干切削铝合金和各种难加工材料孔加工获得了越来越多应用。
它是一种新兴绿色制造技术．对实施人类可持续发展战略有重要意义，可以说是新世纪前沿制造技术。
随着高速机床、加工心及加工技术迅猛发展，切削速度切削功率急剧提高，使得单位时间内金属切除量大量增加，机床加工过程使用切削液用量越来越大，其流量有时高达80～100L/min。
但高速切削时切削液实际上很难到达切削区，切削液很难起到冷却作用。
因此，高速切削技术发展推动了干切削技术研究。
另外，某些特殊加工应用，例如医学植入领域为髋部植入一个球形关节，切削液可能弄脏零件或产生污染，因此，切削液特殊加工领域绝对不允许使用。
干切削加工技术一种加工过程不用或微量使用切削液加工技术，一种对环境污染源头进行控制清洁环保制造工艺。
它作为一种新型绿色制造技术，不仅环境污染小，而且可以省去与切削液有关装置，简化生产系统，能大幅度降低产品生产成本，通时形成切屑干净清洁，便于回收处理。
干切削已成为目前绿色制造工艺研究一个热点，并已经实际加工得到了成功应用。
2、切削液的副作用
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、干切削的特点
干切削是相对于采用切削液的传统湿式加工而言，是环境污染源头控制的清洁制造工艺。
由于不用切削液，因而干切削可以完全消除切削液带来的一系列负面效应。
它具有以下特点：
1、形成的切屑干净、清洁、无污染、易于回收和处理。
2、省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等有关装置及费用，简化了生产系统，节约了生产成本。
3、省去了与切屑及切削液处理有关费用。
4、不污染环境，也不发生与切削液有关的安全及质量事故。
由于具有这些特点，干切削已成为目前清洁制造工艺研究的热点之一，并在车、铣、钻、铰、镗、削等加工中得到了成功应用。
4、干切削对刀具的要求
干切削加工就是要在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同或相近的切削条件。
因此，对刀具提出了更高的要求。
1.刀具应具有优异的耐高温性能
目前的刀具材料，如新性能硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等有足够的耐高温磨损性能，能够在干切削条件下使用。
此外，最有效的方法就是对刀具进行涂层。
涂层在切削过程中的作用如同在刀具与切屑之间增加了一道力和热的隔离层，可阻止将热量传递到刀具基体，因而能保证刀具切削刃锋利，使刀头硬度不会很快下降，可大大提高其耐高温性能。
生产实践证明，尽管在干切削中还不能将切削区产生的热量完全随切屑排出，但只要合理选择刀具几何形状、切削参数，将能使绝大部分切削热随切屑排出，取得良好的加工效果。
2.切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小
干切削加工时，在切削区产生的高温产生化学不稳定性、刀具与切屑之间的摩擦增大、排屑速度减慢，极易产生积屑瘤，加剧刀具磨损。
因此，须减小切屑和刀具之间的摩擦系数，最有效的方法就是进行刀具表面涂层，并设计排屑良好的刀具结构。
如大螺旋角TiAlN涂层丝锥就是具有这种性能的干切削刀具。
3.刀具的结构要能快速排屑
干切削加工中，为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具能快速排出切屑，使传入工件和刀具的热量大大减少。
4.刀具应有更高的强度和耐冲击韧性
选择适宜于干切削的刀具材料，如超细晶粒硬质合金、陶瓷和金属陶瓷刀具材料、金刚石和CBN等，也可在高速钢、硬质合金基体上进行适宜的涂层，如TiAlN涂层、TiCN涂层、TiAlN+MoS2涂层、类金刚石DLC（Diamond-Like-Carbon）涂层等。
金刚石和CBN可用于干切铸铁、过共晶铝合金、各种钢和钛合金等。
图4表示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（Al2o3，Si3N4）、金属陶瓷（Ceramet）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干加工而无须冷却液。
可是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于进行断续切削。
也就是说，陶瓷刀具较适用于进行干车削而不适用于干铣削。
立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石（PCD）、超细晶粒硬质合金等超硬刀具材料也日益广泛使用于干切削。
5、干切削对机床的要求
首先，要考虑高速下干切削对机床的特殊要求。
切削液的主要作用是：
润滑、排屑和冷却。
由于高速下干切
削没有切削液来冷切、排屑等，会产生以下几种情况：
1、切削过程中会产生比湿切削更多的热量，而这些热量如不及时地从机床的主体结构中排出，就会使机床产生严重的热变形，影响工件的加工精度和机床工作的可靠性。
2、在干切削石墨电极等工件时会产生大量粉尘，这些粉尘如不能及时清除，会对操作工人的身体健康造成严重损害，同时细微颗粒也会侵入丝杠、轴承等关键部件，加大机床的磨损以及影响机床的加工精度和可靠性。
所以干切削机床必须具有良好的散热、排屑及吸尘系统或装置。
对干切削机床的基本要求如图2所示。
为了排屑方便，干切削机床应尽可能采用立式主轴、倾斜式床身。
工作台上的倾斜盖板可用隔热材料制成，以便可以把大量的热切屑送入排屑槽平及时排走，如图3所示。
堆积在机床工作台和其它支承部件上的热切屑会造成机床的热变形，吸气系统直接作用在工作台和夹具上，可防止切屑的堆积。
一个内置的循环冷气系统用以提高机床工艺系统的热稳定性。
在加工区某些关键部位应设置温度传感器，用以监控机床温度场的变化情况，必要时可通过数控系统进行精确到微米级的误差补偿。
机床上的过滤系统可将干切削过程中产生的尘埃颗粒及时滤掉并被抽风系统吸走。
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。
6、干切削对工艺的要求
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，超硬合金和钢最难于进行干切削。
难于进行干切削的工件材料和加工方法组合表
工件材料
加工方法
车削
铣削
铰削
攻丝
钻孔
铸铁
钢
×
×
×
铝合金
×
×
超硬合金
×
×
×
×
×
复合材料
注：
×表示难于进行干切削
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。
图2激光辅助干切削
图3用液氮冷却刀具
图4PCBN刀具在车削RBSN材料后的刀具磨损
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（Si3N4）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。
7、总结和展望
目前，传统加工仍广泛使用着切削液，这是因为切削液具有冷却、润滑、协助排屑和断屑等功能，起着延长刀具使用寿命、改善零件加工质量的作用。
但是，随着人们环保意识的不断提高，以及高速加工技术日益广泛的应用，切削液的用量也随之大幅度增加，造成对环境的污染更加严重，最重要的是大大增加产品的生产成本。
所有诸多因素促进了干切削技术的产生和发展。
干切削作为一种新的切削工艺与高速切削是相辅相成的。
它已经对传统切削工艺造成了极大的冲击。
它不仅降低了切削成本，也避免了环境的污染。
怎样在高温下保护刀具，延长刀具寿命是干切削的难点。
干切削技术是一项系统工程，涉及刀具、机床、工艺、材料和生产管理诸多方面的改革和创新。
必须强调一点，干切削是把切削刀具、加工中心结构参数和加工策略等要素综合于一体的加工新工艺。
针对不同的切削条件和切削材料应充分权衡以上三要素在可节约的加工成本和可得到的加工效果间的利弊，然后制定正确的加工方案。
各种超硬、耐高温刀具材料及其涂层技术的迅猛发展，为干切削技术的发展创造了极为有利的条件；最小量润滑装置的有效应用和各种带中心小孔的孔加工标准刀具的出现，再与新型机床相结合，必将促进干切削技术的迅猛发展。
参考文献
1.《高速加工》张伯霖著
2.《金属切削原理》华中科技大学陈日曜主编
3.张伯霖、夏红梅、黄晓明《干切削的关键技术》《机电工程技术》2001.2.广州、广东工业大学.
4.栾芝云，孙建国，刘建昌.切削液技术发展新动向.机械工程师，2000.7.山东工业大学.
5.罗勇、张伯霖，刘玉荣.干切削及其关键技术.全国生产工程第八届大会论文集.北京：
机械工业出版社，1999.151-156.
6.叶伟昌.干切削刀具及应用.机械工程师，2000.6.江苏：
淮阴工学院.
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