干切削加工關鍵技術的研究

柳 青

（岳陽職業技術學院，湖南岳陽414000）

伴隨著信息技術的發展，制造技術加工方法上涌現了許多新工藝和新技術。隨著綠色制造、清潔制造等生產理念的成熟，人們越來越清醒地意識到，切削液大量使用所帶來負面影響：

一是零件生產成本大幅度提高，有統計數據表明，零件加工總成本中，切削液費用約占16%，而刀具費用僅占4%；

二是造成對環境嚴重污染，破壞生態環境，不利于可持續發展戰略實施；

三是直接危害車間工人身體健康。

環境問題和資源問題，是當前以至今后人類社會面臨主要問題。為實現可持續發展戰略目標，使制造企業取得經濟效益與社會效益協調優化，研究實現綠色制造，對指導業界生產具有十分重要現實意義。

1 干切削技術的內涵

干切削技術，通常都指不使用切削液來進行切削加工的技術方法，相對傳統使用切削液加工（濕加工）方法而言，今天更應該從廣義上來理解干切削技術：

只要加工過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、“干凈”（清潔）且能保證加工質量方法，就可歸結為干切削技術范疇。如采用最小量潤滑技術（Minimal Quantity Lubrication，MQL）法加工時，工件切屑可保持干燥，過去文獻稱之為“準干切削”（Near-Dry cutting），實際上從廣義來說，可認為其屬于干切削范疇。

干切削技術可表述為：切削過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、“干凈”（清潔）的高精度、高效率先進加工技術。

2 干切削加工的特點

2.1 干切削工藝的優點

由于不使用切削液，完全消除了切削液導致的一系列負面效應。與濕切削相比，干切削具有以下優點：

（1）形成的切屑干凈、清潔、無污染，易于回收和處理；

（2）省去了與切削液有關的傳輸、過濾、回收等裝置及費用，簡化了生產系統，節約了生產成本。

（3）節省了與切削液及切屑處理有關的費用；

（4）不產生環境污染及與切削液有關的安全與質量事故。

由于具有這些優點，干切削已成為目前清潔制造工藝研究的熱點之一，并在車、銑、鉆、鉸、鏜削加工中得到了成功的應用。

2.2 干切削工藝的不足之處

和相同條件下的濕切削加工相比，干切削也有不足的地方：

（1）直接的加工能耗（加工變形能和摩擦能耗）增大，切削溫度增高；

（2）刀具、切削接觸區的摩擦狀態及磨損機理發生改變，刀具磨損加快；

（3）切屑因較高的熱塑性而難以折斷和控制，切屑的收集和排除較為困難；

（4）加工表面質量易于惡化。

3 干切削加工的關鍵技術

3.1 干切削的刀具技術

由于不使用切削液，干切削時的切削溫度比普通濕切削高很多，刀具能否承受干切削時的巨大熱能，是實現干切削的關鍵。這方面主要措施有：

（1）采用新型的刀具材料。干切削不僅要求刀具材料具有極高的熱硬性和熱韌性，而且還須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結性。目前已發展的刀具材料主要有金剛石、立方氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷、涂層和超細晶粒硬質合金等。發展具有更加具有優異高溫力學性能、高化學穩定性和熱穩定性及高抗熱震性的刀具材料，是推動干切削技術發展和廣泛應用的重要前提。

（2）采用涂層技術。對刀具進行涂層處理，是提高刀具性能的重要途徑。刀具的涂層不僅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，也能隔斷切削區的熱量傳入刀具（片）。目前使用的刀具中有40%是涂層刀具，新的涂層還在不斷出現，使用涂層刀具實現干切削加工的趨勢在不斷增長。近10年來，刀具涂層技術發展十分迅速，涂層材料多達數十種。涂層工藝也越來越成熟，通過多年的“技術攻關”，現已解決了涂層與基體材料結合強度低的技術難題。

（3）采用合理的刀具結構。在干切削加工中，刀具幾何參數的優化非常重要。原有的標準刀具不能適應干切削，為此干切削加工應優化刀具幾何參數，以減少加工中刀具與切屑間的摩擦和強化切削刃。

3.2 干切削刀具的設計方法

干切削刀具通用如下設計方法：

（1）基于自由切削的原理，設計刀具切削部分的幾何形狀，以減少由于流屑干涉引起的切削能耗；

（2）盡量增大刀具切削部分單位表面積所包含的材料體積，提高刃部和尖部的瞬間受熱能力；

（3）使刀具為負前角或使前后刀面凸起，以延緩月牙洼對刀刃的損害，這種方法在一些新型刀具上已有應用；

（4）增大負刃傾角，改善刀刃及刀尖的切入狀態，以提高刀具抗沖擊和抗熱震能力；

（5）加大切削在前刀面斷屑臺上的變形量和增加斷屑臺的個數，以提高對強韌性切屑的斷屑能力。

3.3 干切削的機床技術

研制干切削加工機床，是實現干切削加工的重要手段。這種機床應該剛性足、功率大，能快速有效地排屑，同時用合適的軟件系統，補償溫度對加工的影響。設計干切削機床應要考慮的特殊問題有兩個：

（1）切削熱的迅速散發。干切削時在機床加工區產生的熱量較大，這些熱量如不及時從機床的主體結構排出去，就會使機床產生嚴重的熱變形，影響工件的加工精度和機床工作的可靠性。而對于一些無法排出的熱量，相關部件應采取隔熱措施。

（2）切削和灰塵的快速排出。切屑中帶有大量的熱量，并且落在工件上會劃傷工件，灰塵則會影響工件的加工質量。因此，要注意干切削機床的快速排屑結構、輔助排屑設施和提高干切削機床熱穩定性的結構設計。

3.4 干切削的工藝技術

工件材料在很大程度上決定了實施干切削的可能性。改善材料的可加工性、減少切削過程中變形和摩擦產生的熱量，是發展干切削的一項技術措施。例如，開發易切鋼和易切鑄鐵等。不同工件材料的熱學特性差別較大。干切削要求工件有較大的熱容量和較低的熱導率。因此，大質量的零件比小質量的零件更適宜于干切削。切削力大、溫度高是干切削的主要特點，為了減少高溫下刀具和工件之間材料的粘結和擴散，獲得正常的刀具壽命，應特別注意刀具材料和工件之間的合理匹配。

刀具確定以后，根據具體加工，還應選擇合適的切削用量和其他參數。在干切削加工中，建議采用高的切削速度，因為高的切削速度會使切屑排除快，散熱快，對提高刀具壽命非常有利。

現已經采用的干切削加工工藝有：低溫冷風干切削技術，高速干切削技術，低溫干切削技術，靜電冷卻干切削技術，微量潤滑的準干切削等。

3.5 可靠的刀具監測裝置

干切削使刀具處于一個更加惡劣的加工環境，溫度升高，切削力增大等，同時使刀具破損、磨損失效的概率增大。因此，刀具監測裝置，將成為干切削可靠性和安全性以及加工質量的有利保證。目前隨著傳感器、數字信號處理技術的發展，以及神經網絡、人工智能在刀具監測領域的應用，各種性能穩定、可靠性高的刀具監測裝置，都能在市場找到，選擇主要從其性能要求和經濟角度來考慮。

4 結束語

干切削加工從根本上解決了切削液帶來弊端，極大地節約加工成本，保護生態環境，還對傳統濕加工生產方式進行批判挑戰。綠色加工技術，是面向21世紀前沿制造技術。隨著機床技術和相關工藝研究的深入，干切削技術必將成為金屬切削加工的主要方向。

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