1 前言隨著高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，加工過程中使用的切削液用量越來越大，其流量有時高達(dá)80～100l/min。但大量切削液的使用造成了非常突出的負(fù)面影響：（1）零件的生產(chǎn)成本大幅度提高，在零件加工的總成本中，切削液費用約占16% ，而刀具的費用只占總成本的4%。（2）造成對環(huán)境的嚴(yán)重污染，如把未經(jīng)處理的切削液排入江河湖海，就會污染土地、水源和空氣，嚴(yán)重影響動植物的生長，破壞生態(tài)環(huán)境。（3）直接危害車間工人的身體健康，目前生產(chǎn)中廣泛使用的水基切削液含有對人體有害的化學(xué)成分。在切削（磨削）過程中，切削液受熱揮發(fā)形成煙霧，在車間常常彌漫著難聞的異味，會引起操作工人肺部和呼吸道的諸多疾病，人手和切削液直接接觸，還會誘發(fā)多種皮膚病，直接影響工人健康。 上述負(fù)面影響，已成為機(jī)械工業(yè)發(fā)展的一大障礙。這就使人們會提出這樣一個問題：機(jī)械加工中能不能不用或少用切削液呢？干切削（dry cutting）技術(shù)就是在這樣的歷史背景下應(yīng)運而生，并從90年代中期以來迅速發(fā)展起來的。 干切削技術(shù)起源于歐洲，目前在西歐各國也zui為盛行。據(jù)統(tǒng)計現(xiàn)在已有8%左右的德國企業(yè)采用了干切削技術(shù)。到2003年，德國制造業(yè)將有20%以上采用干切削技術(shù)。在干切削研究和應(yīng)用方面，目前德國處于地位。 日本已開發(fā)成功不使用切削液的干式加工中心。裝有液氮冷卻的干切削系統(tǒng)，從空氣中提取高純度氮氣，常溫下以5～6個大氣壓的壓力將液氮送往切削區(qū)，可順利實現(xiàn)干切削。 我國成都工具研究所、山東工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)等單位對超硬刀具材料及刀具涂層技術(shù)進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，陶瓷刀具在我國目前已形成了一定的生產(chǎn)能力，這些都為干切削技術(shù)的研究與應(yīng)用打下了初步的技術(shù)基礎(chǔ)。北京機(jī)床研究所zui近開發(fā)成功了能實現(xiàn)高速干切削的kt系列加工中心。2 切削液的功能和實現(xiàn)干切削的主要難點干切削并不是簡單地停止使用切削液就能實現(xiàn)的。必須分析在停用切削液以后，會出現(xiàn)什么問題？應(yīng)采取什么措施來消除這些不利影響？為此，首先應(yīng)對切削液在機(jī)械加工中的作用和功能有一個全面、深入的認(rèn)識。 在機(jī)械加工中，切削液主要有三大功能： 潤滑功能——當(dāng)切削液進(jìn)入切削區(qū)以后，它就會滲入到刀具、工件和切屑之間的接觸面，形成一層潤滑膜。這層潤滑膜可減少切削過程的摩擦，減小切削力，減輕切屑與刀具的粘結(jié)現(xiàn)象并抑制積屑瘤的產(chǎn)生，有利于改善加工表面技術(shù)質(zhì)量。 冷卻功能——切削過程所消耗的能量90%以上都轉(zhuǎn)化為切削熱。切削液能有效地把切削熱從機(jī)床的加工區(qū)迅速帶走，從而大大降低機(jī)床切削區(qū)的溫升，提高刀具的耐用度和工件的加工精度。 協(xié)助排屑與斷屑——切削液作為高壓大流量的沖洗劑，能把細(xì)小的切屑沖離工件或刀具，將切屑迅速從機(jī)床中排出，以利于提高零件的加工精度和刀具的使用壽命。帶狀切屑則主要靠刀具的幾何結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)斷屑，但高壓切削液對斷屑和排屑也起一定的輔助作用。進(jìn)行干切削時，由于缺少了切削液的上述潤滑、冷卻和輔助排屑與斷屑等作用，因而切削熱會急劇增加，機(jī)床加工區(qū)溫度明顯上升，刀具耐用度大大降低。要使干切削得以順利進(jìn)行，達(dá)到或超過濕加工時的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具耐用度，就必須從刀具、機(jī)床和工件各方面采取一系列的措施。因此干切削技術(shù)是一項龐大的系統(tǒng)工程，其中zui大的難點在于如何提高刀具在干切削中的性能，同時也對機(jī)床結(jié)構(gòu)、工件材料及工藝過程等提出了新的要求。3 干切削的刀具技術(shù)刀具能否承受干切削時巨大的熱能，是實現(xiàn)干切削的關(guān)鍵。主要措施有：
圖1 不同材料硬度與溫度的關(guān)系
采用新型的刀具材料 干切削不僅要求刀具材料有很高的紅硬性和熱韌性，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性。圖1列出了幾種刀具材料的硬度與溫度的關(guān)系。由圖可見，陶瓷刀具（al2o3，si3n4）、金屬陶瓷（cermet）等材料的硬度在高溫下也很少降低，即具有很好的紅硬性，因此很適合于一般目的的干切削?？墒沁@類材料般較脆，熱韌性不好，不適用于進(jìn)行斷續(xù)切削。立為氮化硼（cbn）、聚晶金剛石（pcd）、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等超硬刀具材料則廣泛用于干切削。 采用涂層技術(shù) 對刀具進(jìn)行涂層處理，是提高刀具性能的重要途徑。涂層刀具分兩大類：一類是“硬”涂層刀具，如tin、tic和al2o3等徐層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。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，能減小切削力和降低切削溫度。切削實驗表明，無涂層絲錐只能加工加20螺孔；用tialn涂層絲錐時可加工1000個螺孔，而mos2涂層的絲錐則可加工4000個螺孔。高速鋼和硬質(zhì)合金經(jīng)過pvd涂層處理后，可以用于干切削。原來只適用于進(jìn)行鑄鐵干切削的cbn刀具，在經(jīng)過涂層處理后也可用來加工鋼、鋁合金和其他超硬合。.實際上，涂層有類似于冷卻液的功能．它產(chǎn)生一隔熱層，使熱不會或很少傳入刀具，從而能在較長的時何內(nèi)保持刀尖的堅硬和鋒利。涂層還有在高速干切削中保待刀具材料不受化學(xué)反應(yīng)的作用。在發(fā)展干切削技術(shù)過程中，要特別注意涂層刀具的有效應(yīng)用。 優(yōu)化刀具參數(shù)和切削用量 刀具的幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足干切削對斷屑和排屑的要求。斷屑槽在韌性材料加工中對斷屑起著很關(guān)鍵的作用。目前在車刀三維曲面斷屑槽方面的設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量，很快設(shè)計出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，并能大大提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。 高速加工有切削力小、散熱決、加工過程穩(wěn)定性好等優(yōu)點，高速切削技術(shù)與干切削技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將獲得生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好和無環(huán)境污染等多重利益。4 干切削的機(jī)床技術(shù)設(shè)計干切削機(jī)床時要考慮的特殊問題主要有兩個：一個是切削熱的散發(fā)；另一個是切屑和灰塵的排出。 干切削時在機(jī)床加工區(qū)產(chǎn)生的熱量較大，如不及時從機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)排出去，就會使機(jī)床產(chǎn)生熱變形，影響工件加工精度和機(jī)床工作可靠性。對于一些無法排出的熱量，則相關(guān)部件應(yīng)采取隔熱措施。 為了便于排屑。干切削機(jī)床應(yīng)盡可能采用立式主軸和傾斜式床身。工作臺上的傾斜蓋板可用絕熱材料制成．將大量熱切屑直接送入螺旋排屑槽。采用吸氣系統(tǒng)可防止工作臺和其它支承部件上熱切屑的堆積內(nèi)置的循環(huán)冷氣系統(tǒng)用以提高機(jī)床工藝系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。在加工區(qū)的某些關(guān)鍵部位設(shè)置溫度傳感器，用以監(jiān)控機(jī)床溫度場的變化情況，必要時通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行的誤差補(bǔ)償。過濾系統(tǒng)可將干切削過程中產(chǎn)生的塵埃顆粒濾掉并被抽風(fēng)系統(tǒng)及時吸走。產(chǎn)生灰塵的加工區(qū)應(yīng)和機(jī)床的主軸部件及液壓、電氣系統(tǒng)嚴(yán)加隔離。此外還可以通過對這些部件施加微壓，以防止灰塵的侵入。 對鋁合金或纖維等增強(qiáng)塑料進(jìn)行干切削時，必須采用高速加工中心或其它高速數(shù)控機(jī)床，其主軸轉(zhuǎn)速一般高達(dá)25000～60000r/min，主電動機(jī)功率25～60kw，通常都采用“電主軸”的傳動結(jié)構(gòu)方式；進(jìn)給速度高達(dá)60～100m/min，加速度2～8g（g=9.81m/s2）．為普通數(shù)控機(jī)床的10倍以上，現(xiàn)已逐步用直線伺服電動機(jī)替代滾珠絲杠來實現(xiàn)高速進(jìn)給運動。5 干切削的工藝技術(shù)工件材料在很大程度上決定了實施干切削的可能性。干切削的“工件材料/加工方法”的組合如下表所示。由表可見，超硬合金和鋼zui難于進(jìn)行干切削。 難于進(jìn)行干切削的工件材料和加工方法組合表 工件材料 加工方法
車削 銑削 鉸削 攻絲 鉆孔
鑄鐵
鋼 × × ×
鋁合金 × ×
超硬合金 × × × × ×
復(fù)合材料
注：×表示難于進(jìn)行干切削
鋁合金傳熱系數(shù)高，在加上過程中會吸收大量的切削熱；熱膨漲系數(shù)大，使工件發(fā)生熱變形；硬度和熔點都較低，加工過程中切屑很容易與刀具發(fā)生“膠焊”或粘連，這是鋁合金干切削時遇到的zui大難題。解決這難題的辦法是采用高速干切削。在高速切削中，95%～98%的切削熱都傳給了切屑，切屑在與刀具前刀面接觸的界面上會被局部熔化．形成一層極薄的液態(tài)薄膜，因而切屑很容易在瞬間被切離工件，大大減小了切削力和產(chǎn)生積屑瘤的可能性。工件可以保持常溫狀態(tài)，既提高廠生產(chǎn)效率，又改善了鋁合金工件的加工精度和表面質(zhì)量。 為了減少高溫下刀具和工件之間材料的擴(kuò)散和粘結(jié)，應(yīng)特別注意刀具材料與工件之間的合理搭配。例如，金剛石（碳元素c）與鐵元素有很強(qiáng)的化學(xué)親合力，故金剛石刀具雖然很硬，但不宜于用來加工鋼鐵工件；鈦合金和某些高溫合金中有鈦元素，因此也不能用含鈦的涂層刀具進(jìn)行干切削。又如pcbn刀具能夠?qū)Υ阌蹭摗⒗溆茶T鐵和經(jīng)過表面熱噴涂的硬質(zhì)工件材料進(jìn)行干切削，而在加工中、低硬度的工件時，其刀具壽命還不及普通硬質(zhì)合金的壽命高。
圖2 激光輔助干切削
圖3 用液氮冷卻刀具
圖4 pcbn刀具在車削rbsn材料后的刀具磨損
硬車是一種“以車代磨”的新工藝，用于某些不適宜進(jìn)行磨削的回轉(zhuǎn)休零件的加工，是一種的干切削技術(shù)。在對氮化硅（si3n4） 工件進(jìn)行硬車時．由于該材料有*的抗拉強(qiáng)度，使任何刀具都很快破損。可采用激光輔助切削，用激光束對工件切削區(qū)進(jìn)行預(yù)熱（見圖2），使工件材料局部軟化 （其抗拉強(qiáng)度由750mpa降至400mpa），則可減小切削阻力30%～70% ，刀具磨損可降低80%左右，干切削過程中的振動也大為減?。蟠筇岣吡瞬牧锨谐剩垢汕邢鞯靡皂樌M(jìn)行。 鈦鋁釩合金（ti6al4v）和反應(yīng)燒結(jié)氮化硅（rbsn）是典型的難加工材料，其傳熱系數(shù)很小，干加工中產(chǎn)生大量的熱，使刀具材料發(fā)生化學(xué)分解，刀具很決磨損，圖3所示為用液氮冷卻刀具加工這類材料的新方法。 在車刀前刀面上倒裝了個金屬帽狀物，其內(nèi)腔與刀片的上表面共同組成一個密閉室。帽狀物上有液氮的入口和出口。在干切削過程中，液氮不斷在密閉室中流動，吸收刀片上的切削熱，使刀具不產(chǎn)生過高的溫升．始終保持良好的切削性能，順利實現(xiàn)干切削。圖4是用pcbn刀具加工rbsn工件材料時刀具磨損量的實驗結(jié)果。在不使用液氮冷卻刀具時pcbn刀具車削長度僅40mm，后刀面磨損量便高達(dá)3mm，切削無法再進(jìn)行下去。采用上述液氮裝置后，刀具磨損情況大為改善，車削長度160mm后，后刀面僅磨損0.4mm。被加上工件的圓度誤差也從20μm減至3.2μm。液氮是一種很容易獲得的原料價格便宜還可以反復(fù)使用。6 準(zhǔn)干切削純粹的干切削有時很難進(jìn)行，此時可采用zui小量潤滑技術(shù) （minimal quantity lubrication），簡稱mql。這種方法是將壓縮空氣與少量潤滑液混合氣化后，噴射到加工區(qū)，對刀具和工件之間的加工部位進(jìn)行潤滑。mql技術(shù)可以大大減少“刀具—工件”和“刀具—切屑”之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質(zhì)量的作用。它所使用的潤滑液很少．而效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會對環(huán)境造成污染。例如用（ti, al）n+mos2徐層刀具對鋁合金工件進(jìn)行純粹的干切削時．刀具鉆16個孔后，切屑就粘結(jié)在鉆頭容屑槽中，使刀具*不能使用。采用mql技術(shù)后．鉆孔數(shù)高達(dá)320個．鉆頭也還沒有發(fā)生明顯的磨損或粘連，加上出來的所有孔都滿足要求。 mql法所使用的潤滑液用量一般為0.03～0.2l/h ，約為濕切削的6萬分之一。清潔和干凈的切屑經(jīng)過壓縮還可以回收使用，*不污染環(huán)境。因此mql法又稱為“準(zhǔn)干切削” （near-dry cutting）。 準(zhǔn)干切削技術(shù)和涂層刀具相結(jié)合，能夠取得的效果。例如，用高速鋼涂層鉆頭加工x90crmov18合金鋼．當(dāng)用tialn涂層高速鋼鉆頭進(jìn)行純粹干鉆削時，鉆3.5m的叨削長度后鉆失便被損壞；采用（tialn+mos2）復(fù)合涂層鉆頭和zui小潤滑法，其鉆削長度增加到115m。7 總結(jié)和展望干切削技術(shù)是對傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的一個重大創(chuàng)新，是種嶄新的清潔制造技術(shù)。世界各國日益嚴(yán)厲的環(huán)保法規(guī)，有利于加速干切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用；各種超硬、耐高溫刀具材料及其涂層技術(shù)的發(fā)展，為干切削技術(shù)創(chuàng)造了極為有利的條件；zui小量潤滑裝置的有效應(yīng)用和各種中心小孔的孔加工標(biāo)準(zhǔn)刀具的出現(xiàn)，使準(zhǔn)干切削在鋁合金和各種難加工材料的孔加工中獲得了越來越多的應(yīng)用。干切削技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在只有短短10年的歷史，它是一種新興的綠色制造技術(shù)．對實施人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有重要的意義，是新世紀(jì)的前沿制造技術(shù)。