干切削的关键技术

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【摘要】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。本文介绍了干切削技术产生的历史背景，阐明了干切削的关键技术。

【关键词】干切削关键技术

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

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。

干切削技术起源并盛行于西方发达工业国家，目前德国、美国和日本等在干切削技术研究和应用方面处于国际领先地位。据统计德国的制造业已有20%以上的机械加工采用干切削技术；日本已成功开发了使用液氮冷却的干切削系统并应用于高速加工中心；美国政府实行严格的环保法规，更促使其制造业不得不更多地考虑应用干切削技术。

我国干切削技术的研究虽起步较晚，但也取得了一些成果。我们知道干切削技术的最大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。而成都工具研究所、山东工业大学、清华大学及北京机床研究所等单位已对超硬刀具材料、刀具涂层技术及高速加工中心进行过系统研究及成功开发。这些都为我国干切削技术的研究和应用提供了初步的技术基础。

一、干切削技术产生的历史背景

随着高速加工技术的迅猛发展及其在工业中越来越广泛的应用，加工过程中使用的切削液用量也越来越大，其流量有时高达80-100L/min。大量切削液造成的负面影响更加突出地呈现在人们的面前：

1、零件的生产成本大幅度提高

随着切削用量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。据最新调查资料，在零件加工的总成本中，切削液费用约占16%，而刀具的费用只占成本的4%。这个统计分析数据不得不引起人们的高度重视，因为在当今日益激烈的市场竞争中，降低产品的生产成本和销售价格，已成为企业生存与发展的重要因素。

2、造成对环境的严重污染

切削液是机械加工工业对自然环境造成污染的根源。如把大量未经处理的切削液排入江河湖海，就会污染土地、水源和空气，严重影响动植物的生长，破坏生态环境，不利于可持续发展战略的实施。严厉的环保法规’3(迫使诸多机械加工企业不得不花费巨资，对加工过程中产生的废液进行处理，否则将被停产。

3、直接危害车间工人的身体健康

目前生产中广泛使用的水基切削液或多或少都含有对人体有害的化学成分。在切削（磨削）过程中，切削液受热挥发，形成烟雾，在车间工作区常常弥漫着难闻的异味。车间内潮湿的地面和污浊的空气，会引起操作工人肺部和呼吸道的诸多疾病。人手和切削液直接接触，还会诱发多种皮肤病，直接影响工人的健康。

切削液的上述负面影响，已成为机械加工工业健康地向前发展的一大障碍。严酷的产品价格竞争和日益严厉的环保法规监控，迫使人们会很自然地提出这样一个问题：机械加工中能不能不用或少用切削液呢？干切削技术就是在这样的历史背景下应运而生、并从90年代中期以来迅速发展起来的。

二、干切削的关键技术

1、刀具技术

刀具的性能是高速干切削能否成功实施的关键。高速干切削是在无切削液的条件下进行工作的, 这就对刀具提出了更高的要求: ① 刀具应具有优异的耐热性能与耐磨性能, 可在无切削液条件下工作。新型硬质合金、聚晶陶瓷和立方氮化硼( CBN) 等材料是干式切削刀具的首选材料; ② 切屑和刀具之间的摩擦因数要尽可能小, 常用的方法是对刀具表面进行涂层(涂层除了有类似于切削液的功能外, 还在刀具与切屑间起隔热作用, 相当于切削液中的冷却功能, 此外, 还有保护刀具材料不受化学反应的作用) , 并辅以排屑良好的刀具结构, 减少热量堆积; ③ 干式切削刀具还应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。

干切削刀具常采用较大的前角和刃倾角, 这样可使刀具与切屑间的接触面大大减少。同时应采用适宜的T 形刃带、加强棱刀刃等措施来强化刃口和加强刀刃强度。另外, 也可采用较大的刀尖前角和刀尖后角, 以缩短刀具与已加工表面间的接触长度。由于干切削时切削力大、温度高, 为减少高温下刀具与工件材料之间的扩散和粘结, 还应特别注意刀具材料与工件材料之间的合理匹配。例如, 金刚石(碳元素C) 与铁元素有很强的化学亲和力, 所以金刚石刀具虽然硬度很高, 但不宜于在干切削加工中用来切削加工钢铁等黑色金属材料。

对于高速干切削中应用的刀具技术而言, 需要进一步研究和发展的主要有以下几个方面: 刀具涂层技术, 刀具材料技术, 刀具结构和几何参数的合理设计, 可靠的刀具在线监测技术等。

2、机床技术

在设计高速干切削用机床时, 首先需要着重考虑的二个问题是: 一是如何使切削热快速传出, 二是如何将切屑和尘埃迅速排出。图1 显示出了高速干切削用机床的基本要求。

图1 干切削用机床应具备的主要性能

高速干切削时产生的热量较多, 若不及时传散出去, 就会使机床产生热变形, 影响工件的加工精度和机床工作的可靠性, 一般可内置循环冷气系统。如果存在一些无法排出的热量, 则应在相关部件上采取隔热措施。

排屑和去尘同样不能忽略。干切削过程中容易产生金属悬浮颗粒, 一旦进入机床运动副, 会使机床部件磨损加剧。若进入电气控制线路, 则可能引起短路。因此, 除了加强机件和线路的密封性外, 必要时还应设计真空吸尘装置。为便于排屑, 机床工作台或主轴应呈倾斜或立式布局, 同时应设置螺旋排屑器等排屑装置。

机床床身是保证机床稳定性的基础大件, 应采用热稳定性较好的整体铸造的框架式或龙门式结构, 最好应用绝热材料“人造花岗岩”或新型均热材料( 如在铝材料中添加20% 的碳化硅得到的新型复合材料) , 增加绝热倾斜盖板。另外, 机床的主轴应具有高的转速和较高的刚度, 特别是动刚度, 以适应干切削过程中切削力增大、切削振动增强的影响。机床进给单元应具有较高的刚度和较大的推力, 高速进给单元常用的有“伺服电机+大导程的密珠滚珠丝杆副”和直线电机直接驱动2种类型。

总之，切削加工的绿色化是制造业可持续发展的重要方向。高速干切削是一种绿色制造方式。与传统切削方式相比, 高速干切削具有生产效率高、加工质量好、无环境污染等特点, 具有很大的发展潜力, 是未来切削加工发展的一个趋势。但高速干切削技术是一项综合技术, 并非简单地提高切削速度、停止使用切削液就能实现的, 而必须从刀具、机床和工件等各方面采取一系列合理、有效的措施, 对其中的关键技术进行重点攻关与开发才能得以顺利实施。

参考文献：

[1] 张书诚.高速干切削技术研究[J]. 金属加工(冷加工). 2008(03)

[2] 夏荣军.钛合金双叉耳接头数控加工[J]. 航天制造技术. 2011(01)

[3] 谢国如.绿色制造中干切削的研究[J]. 现代机械. 2004(06)