隨著“21世紀(jì)綠色制造工程”的提出和實(shí)施，高速干式切削加工技術(shù)日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。

在切削過程中使用切削液，雖優(yōu)點(diǎn)眾多，但一方面造成了資源和能源的巨大浪費(fèi)（據(jù)統(tǒng)計(jì)資料介紹，切削液使用費(fèi)用占總制造成本的16%，而切削刀具費(fèi)用僅占總制造成本的3%～4%）。另一方面，切削液會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染，甚至?xí)：と私】怠?/span>

隨著全球環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)和環(huán)境保護(hù)立法的日益嚴(yán)格，對(duì)環(huán)境無污染的“綠色制造”被認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代制造業(yè)模式。為使金屬切削加工盡可能達(dá)到綠色制造的要求，可減少環(huán)境污染、節(jié)省資源和能源的高速干式切削技術(shù)越來越多地受到人們的關(guān)注。

所謂高速干式切削加工，是指在高速機(jī)械加工中，為保護(hù)環(huán)境、降低成本而有意識(shí)地減少或完全停止使用切削液。

高速切削加工具有以下優(yōu)越性：

（1）隨著切削速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率（切削速度、進(jìn)給量和切削深度的乘積，v×f×ap）增加，切削加工時(shí)間減少，從而可大幅度提高加工效率，降低加工成本。

（2）在高速切削加工范圍內(nèi)，切削力隨著切削速度的提高而減小，根據(jù)切削速度的提高幅度，切削力平均可減少30%以上，有利于對(duì)剛性較差的零件和薄壁零件的切削加工。

（3）高速切削加工時(shí)，切屑以很高的速度排出，可帶走大量切削熱。切削速度愈高，帶走的熱量愈多（約90%以上），傳給工件的熱量大幅度減少，有利于減小加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形，提高加工精度。

（4）從動(dòng)力學(xué)的角度，在高速切削加工過程中，切削力隨切削速度的提高而降低，而切削力正是切削過程中產(chǎn)生振動(dòng)的主要激勵(lì)源。轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的加工表面粗糙度對(duì)低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。

（5）高速切削可加工硬度45～65HRC的淬硬鋼鐵件，如采用高速切削加工淬硬后的模具，可減少甚至取代放電加工和磨削加工，滿足加工質(zhì)量的要求。

一、實(shí)現(xiàn)高速干式切削加工的關(guān)鍵技術(shù)

在高速干式切削加工中，由于切削過程缺少切削液的潤滑、冷卻、排屑等作用，相應(yīng)地會(huì)出現(xiàn)以下問題：

（1）由于缺少切削液的潤滑作用，高速干式切削加工中的切削力會(huì)大大增加，刀具與工件之間的振動(dòng)會(huì)加劇，從而導(dǎo)致工件加工表面質(zhì)量變差，刀具磨損加快，刀具使用壽命縮短。

（2）由于缺少切削液的冷卻作用，高速干式切削加工會(huì)在加工瞬間產(chǎn)生大量熱量，這些熱量主要集中在切屑中，會(huì)影響切屑的成型，過熱的高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致形成帶狀和纏結(jié)狀切屑并纏繞在刀具上，影響后續(xù)切削，加劇刀具磨損。如不及時(shí)將熱量從機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)中排出，同樣會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生嚴(yán)重的熱變形，影響加工精度和降低工件表面質(zhì)量。

（3）在高速干式切削加工某些材料（如石墨電極等）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，如不能及時(shí)清除，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害操作工人的身體健康，同時(shí)細(xì)微顆粒也會(huì)侵入絲杠、軸承等機(jī)床關(guān)鍵部件，加大機(jī)床的磨損，影響機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性。

（4）由于高速干式切削加工與高速濕式切削加工的切削過程有所不同，為使機(jī)床能夠穩(wěn)定地完成切削過程，需要對(duì)原來高速濕式切削加工選用的切削參數(shù)作相應(yīng)修改和調(diào)整，才能應(yīng)用于高速干式切削加工。

為了解決以上問題，使高速干式切削加工在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到與高速濕式切削加工相當(dāng)（甚至更高）的加工質(zhì)量和刀具耐用度，就必須對(duì)包括機(jī)床、刀具、工件以及切削參數(shù)在內(nèi)的整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行全面的考慮權(quán)衡，并采取相應(yīng)的工藝措施，以彌補(bǔ)高速干式切削加工的不足。

1、高速干式切削加工機(jī)床技術(shù)

由于高速干式切削加工機(jī)床不再使用切削液，必然導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)及布局的變化，主要體現(xiàn)在對(duì)機(jī)床的隔熱性能、排屑速度、洗塵效果和機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件的三剛度（靜剛度、動(dòng)剛度和熱剛度）等方面提出了更高要求。

(1)選用三剛度高的高速機(jī)床

由于高速干式切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生更大的切削力和更多的切削熱，從而導(dǎo)致刀具與工件之間的振動(dòng)以及機(jī)床的熱變形明顯增大，因此選用的機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件（如立柱、床身、工作臺(tái)等）的三剛度要大，如采用人造花崗巖等新材料整體制造床身，不僅三剛度好，而且減振效果明顯。此外，將被認(rèn)為是“21世紀(jì)的新式數(shù)控機(jī)床”、“機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大技術(shù)革命”的虛擬軸機(jī)床與高速干式切削加工技術(shù)結(jié)合起來，將會(huì)獲得更好的效果。

(2)采用快速排屑布局

應(yīng)用高速干式切削加工的要點(diǎn)之一是要在切屑中的大部分熱量傳入機(jī)床之前迅速將其排出。為此，可采取以下排屑方法：

①為了便于排屑，高速干式切削加工機(jī)床應(yīng)盡可能采用立式主軸和傾斜式床身，工作臺(tái)四周應(yīng)采用傾斜的隔板，這樣有助于熱切屑迅速墜入排屑槽中。

②借助重力排屑。以鉆削加工為例，可改變機(jī)床常規(guī)布局，將工件安裝在主軸下部，刀具從下向上鉆削，在重力作用下，切屑可從孔中順利排出，而無須使用帶壓力的切削液來輔助排屑。

③利用虹吸現(xiàn)象排屑。在鉆削加工中，可利用干燥的空氣通過虹吸作用吸出孔中的切屑，而無須使用切削液。

④利用真空或噴氣系統(tǒng)改善排屑條件。如日本某公司開發(fā)的“潔凈回收系統(tǒng)”，采用將刀具部分罩住的結(jié)構(gòu)，利用從內(nèi)部吹出的壓縮空氣，使切屑順著刀具回轉(zhuǎn)方向經(jīng)螺旋管道排出。

(3)采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)母魺岽胧?/span>

機(jī)床床身采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和材料，可將切削熱的影響降到最低程度。如采用均衡溫度的結(jié)構(gòu)，將床身的左右兩側(cè)、頂部和底部設(shè)計(jì)成四個(gè)相通的型腔并注入油液，即可保證整個(gè)床身具有相同的溫度。此外，機(jī)床立柱與底座等基礎(chǔ)構(gòu)件采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)并選用熱容量小的材料，主軸采用恒溫水冷裝置等，都能提高機(jī)床的熱穩(wěn)定性。

采取適當(dāng)?shù)母魺岽胧?，如排屑槽用絕熱材料制造，高速切削區(qū)采用絕熱罩來隔斷熱切屑，均可減少排屑過程中切屑傳遞給機(jī)床的熱量。

2、高速干式切削加工刀具技術(shù)

(1)開發(fā)適合高速干式切削加工的刀具材料

為了加速排屑和散熱，延長刀具的使用壽命，高速干式切削加工的切削速度一般要高于普通高速加工。因此，高速干式切削加工刀具材料應(yīng)具有很高的紅硬性和熱韌性。目前，適用于干式切削的刀具材料主要有超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、SiC晶須增韌陶瓷和納米晶粒陶瓷材料等。

細(xì)化后的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有很好的硬度、耐磨性、韌性和耐熱性。

(2)研究開發(fā)適合高速干式切削加工的刀具涂層

對(duì)刀具表面進(jìn)行涂層處理可減小刀具與工件表面之間的摩擦，減小切削力，降低對(duì)切削液潤滑作用的依賴。

目前，用于高速干式切削刀具的涂層技術(shù)主要有兩類，一種是“硬”涂層，如TiN、TiC、Al2O3等。此類涂層刀具表面硬度高、耐磨性好。另一種是“軟”涂層，如MoS2涂層、WS2涂層等。此類涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)是表面摩擦系數(shù)很低（約0.01），切削時(shí)可減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，故又稱為自潤滑刀具。

(3)優(yōu)化刀具幾何形狀

針對(duì)高速干式切削加工的特點(diǎn)，需要對(duì)高速干式切削加工刀具的幾何形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：

①減少加工刀具與工件表面之間的接觸面積。如加大鉆頭的導(dǎo)程和倒錐角，以防止切屑阻塞，改善排屑性能。改進(jìn)后效果明顯，鉆孔能力可提高數(shù)倍。如美國Carboloy公司把刀片制成超大正前角（+34°）加強(qiáng)刃，前刀面呈多條弧形溝，以減少切屑與前刀面的接觸，使切削溫度大大降低，采用常規(guī)切削速度加工時(shí)，刀具壽命可提高3～4倍。

②考慮刀具表面的最大潤滑性，防止產(chǎn)生積屑瘤。

③在高速干式切削加工時(shí)，可對(duì)細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具的切削刃口作微小鈍化，以刀具基體的強(qiáng)度來保持刃口的鋒銳性，達(dá)到降低切削溫度的目的。這樣不但可保持刀具的優(yōu)良性能，還可延長刀具的最佳使用壽命。

④在高速干式切削加工韌性材料時(shí)，斷屑槽的斷屑性能起著十分關(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，提高切屑折斷能力和對(duì)切屑流動(dòng)方向的控制能力。在封閉空間進(jìn)行高速干式切削（如干式鉆削、干式鉸削、干式攻絲等）時(shí)，則應(yīng)增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度。

3、高速干式切削加工參數(shù)的選擇

針對(duì)高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削熱明顯增大的情況，需要重新考慮權(quán)衡和合理選用相應(yīng)的切削參數(shù)，以使高速干式切削加工過程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性滿足加工要求。

4、高速干式切削加工輔助技術(shù)

如前所述，高速干式切削時(shí)切削力大、切削溫度高，尤其在對(duì)某些超硬材料進(jìn)行干式加工時(shí)難度很大，因此可以采用某些特殊加工輔助技術(shù)。如在對(duì)氮化硅（Si3N4）工件進(jìn)行高速干式切削時(shí)，由于該材料的抗拉強(qiáng)度極高，使用任何刀具都會(huì)很快破損，此時(shí)可采用激光輔助切削技術(shù)，即用激光束對(duì)工件切削區(qū)進(jìn)行預(yù)熱，使工件材料局部軟化（抗拉強(qiáng)度由750N降至400N），這樣可改善材料的可加工性，使切削力減小30%～70%，刀具磨損降低80%左右，切削過程中的振動(dòng)也明顯減少，材料切除率大大提高，使高速干式切削得以順利進(jìn)行。

此外，還可采用液氮冷卻高速干式切削和高速準(zhǔn)干式切削技術(shù)，其中，高速準(zhǔn)干式切削（也稱為最小量潤滑技術(shù)，MQL）是目前已投入應(yīng)用的一種新型切削技術(shù)。用MQL方法進(jìn)行切削加工，工件和切屑可保持干燥、清潔，干凈的切屑經(jīng)過壓縮還可回收利用，完全不會(huì)污染環(huán)境。該技術(shù)所需投資很少，但收效很大。據(jù)稱，目前歐洲每年約需15000臺(tái)具有最小潤滑量裝置的高速機(jī)床，而且需求量還在迅速增長。

二、高速干式切削加工技術(shù)的應(yīng)用

高速干式切削加工技術(shù)是一種正在不斷發(fā)展的新興加工技術(shù)，隨著諸多技術(shù)問題（如機(jī)床、刀具、涂層、切削參數(shù)等）的不斷解決，高速干式切削加工的應(yīng)用范圍正進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，高速干式切削加工在車削、銑削加工中的應(yīng)用（尤其是鑄鐵材料的高速切削）已日益普遍；在鉆削、鉸削、攻絲、拉削和滾齒等方面也有重大突破。此外，高速干式切削加工在銑削中的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。

三、前景展望

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