干切削加工关键技术的研究

柳 青

（岳阳职业技术学院，湖南岳阳414000）

伴随着信息技术的发展，制造技术加工方法上涌现了许多新工艺和新技术。随着绿色制造、清洁制造等生产理念的成熟，人们越来越清醒地意识到，切削液大量使用所带来负面影响：

一是零件生产成本大幅度提高，有统计数据表明，零件加工总成本中，切削液费用约占16%，而刀具费用仅占4%；

二是造成对环境严重污染，破坏生态环境，不利于可持续发展战略实施；

三是直接危害车间工人身体健康。

环境问题和资源问题，是当前以至今后人类社会面临主要问题。为实现可持续发展战略目标，使制造企业取得经济效益与社会效益协调优化，研究实现绿色制造，对指导业界生产具有十分重要现实意义。

1 干切削技术的内涵

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。

2 干切削加工的特点

2.1 干切削工艺的优点

由于不使用切削液，完全消除了切削液导致的一系列负面效应。与湿切削相比，干切削具有以下优点：

（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、过滤、回收等装置及费用，简化了生产系统，节约了生产成本。

（3）节省了与切削液及切屑处理有关的费用；

（4）不产生环境污染及与切削液有关的安全与质量事故。

由于具有这些优点，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、镗削加工中得到了成功的应用。

2.2 干切削工艺的不足之处

和相同条件下的湿切削加工相比，干切削也有不足的地方：

（1）直接的加工能耗（加工变形能和摩擦能耗）增大，切削温度增高；

（2）刀具、切削接触区的摩擦状态及磨损机理发生改变，刀具磨损加快；

（3）切屑因较高的热塑性而难以折断和控制，切屑的收集和排除较为困难；

（4）加工表面质量易于恶化。

3 干切削加工的关键技术

3.1 干切削的刀具技术

由于不使用切削液，干切削时的切削温度比普通湿切削高很多，刀具能否承受干切削时的巨大热能，是实现干切削的关键。这方面主要措施有：

（1）采用新型的刀具材料。干切削不仅要求刀具材料具有极高的热硬性和热韧性，而且还须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前已发展的刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、金属陶瓷、涂层和超细晶粒硬质合金等。发展具有更加具有优异高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高抗热震性的刀具材料，是推动干切削技术发展和广泛应用的重要前提。

（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。刀具的涂层不仅提高了刀具表面硬度，而且能降低刀具/工件和刀具/切削表面之前的摩擦，也能隔断切削区的热量传入刀具（片）。目前使用的刀具中有40%是涂层刀具，新的涂层还在不断出现，使用涂层刀具实现干切削加工的趋势在不断增长。近10年来，刀具涂层技术发展十分迅速，涂层材料多达数十种。涂层工艺也越来越成熟，通过多年的“技术攻关”，现已解决了涂层与基体材料结合强度低的技术难题。

（3）采用合理的刀具结构。在干切削加工中，刀具几何参数的优化非常重要。原有的标准刀具不能适应干切削，为此干切削加工应优化刀具几何参数，以减少加工中刀具与切屑间的摩擦和强化切削刃。

3.2 干切削刀具的设计方法

干切削刀具通用如下设计方法：

（1）基于自由切削的原理，设计刀具切削部分的几何形状，以减少由于流屑干涉引起的切削能耗；

（2）尽量增大刀具切削部分单位表面积所包含的材料体积，提高刃部和尖部的瞬间受热能力；

（3）使刀具为负前角或使前后刀面凸起，以延缓月牙洼对刀刃的损害，这种方法在一些新型刀具上已有应用；

（4）增大负刃倾角，改善刀刃及刀尖的切入状态，以提高刀具抗冲击和抗热震能力；

（5）加大切削在前刀面断屑台上的变形量和增加断屑台的个数，以提高对强韧性切屑的断屑能力。

3.3 干切削的机床技术

研制干切削加工机床，是实现干切削加工的重要手段。这种机床应该刚性足、功率大，能快速有效地排屑，同时用合适的软件系统，补偿温度对加工的影响。设计干切削机床应要考虑的特殊问题有两个：

（1）切削热的迅速散发。干切削时在机床加工区产生的热量较大，这些热量如不及时从机床的主体结构排出去，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。而对于一些无法排出的热量，相关部件应采取隔热措施。

（2）切削和灰尘的快速排出。切屑中带有大量的热量，并且落在工件上会划伤工件，灰尘则会影响工件的加工质量。因此，要注意干切削机床的快速排屑结构、辅助排屑设施和提高干切削机床热稳定性的结构设计。

3.4 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。改善材料的可加工性、减少切削过程中变形和摩擦产生的热量，是发展干切削的一项技术措施。例如，开发易切钢和易切铸铁等。不同工件材料的热学特性差别较大。干切削要求工件有较大的热容量和较低的热导率。因此，大质量的零件比小质量的零件更适宜于干切削。切削力大、温度高是干切削的主要特点，为了减少高温下刀具和工件之间材料的粘结和扩散，获得正常的刀具寿命，应特别注意刀具材料和工件之间的合理匹配。

刀具确定以后，根据具体加工，还应选择合适的切削用量和其他参数。在干切削加工中，建议采用高的切削速度，因为高的切削速度会使切屑排除快，散热快，对提高刀具寿命非常有利。

现已经采用的干切削加工工艺有：低温冷风干切削技术，高速干切削技术，低温干切削技术，静电冷却干切削技术，微量润滑的准干切削等。

3.5 可靠的刀具监测装置

干切削使刀具处于一个更加恶劣的加工环境，温度升高，切削力增大等，同时使刀具破损、磨损失效的概率增大。因此，刀具监测装置，将成为干切削可靠性和安全性以及加工质量的有利保证。目前随着传感器、数字信号处理技术的发展，以及神经网络、人工智能在刀具监测领域的应用，各种性能稳定、可靠性高的刀具监测装置，都能在市场找到，选择主要从其性能要求和经济角度来考虑。

4 结束语

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。

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