宋胄

摘 要：干式切削技術(shù)作為一種新的加工方式，現(xiàn)已被許多工業(yè)部門所應(yīng)用。本文首先介紹了干式切削技術(shù)的特點(diǎn)，然后分析了干式切削技術(shù)的形式，最后總結(jié)了影響干式切削實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，以期為干式切削技術(shù)的應(yīng)用提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞：干式切削;綠色制造;切削液

中圖分類號(hào)：TG506文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）07-0047-03

Abstract： As a new processing method， dry cutting technology has been applied in many industrial departments. This paper first introduced the characteristics of dry cutting technology， then analyzed the form of dry cutting technology， and finally summarized the key factors affecting the realization of dry cutting， in order to provide theoretical reference for the application of dry cutting technology.

Keywords： dry cutting;green manufacturing;cutting fluid

加工制造業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在為我國(guó)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)造巨大財(cái)富的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境和能源帶來(lái)了巨大壓力。在機(jī)床加工過(guò)程中，不可避免地會(huì)用到切削液。這主要是因?yàn)榍邢饕嚎梢云鸬嚼鋮s、潤(rùn)滑、沖洗和防銹的作用。但是，切削液的主要成分為硫、苯、氯等，因此，在加工過(guò)程中，切削液揮發(fā)、飛濺及滲漏會(huì)造成工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡化。隨著人們生活水平的不斷提高，低碳生活理念深入人心，綠色制造逐漸成為發(fā)展大方向。綠色制造技術(shù)是指在保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。其是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效益的現(xiàn)代化制造模式，目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對(duì)環(huán)境的影響（副作用）最小，資源利用率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。干式切削技術(shù)是可以滿足綠色制造要求的一個(gè)重要加工技術(shù)。因此，本文主要探討其在綠色制造中的作用。

1 干式切削技術(shù)的特點(diǎn)

干式切削技術(shù)是指在切削加工過(guò)程中，不使用任何液體潤(rùn)滑和冷卻的加工方法，是實(shí)現(xiàn)清潔、安全、高效加工的一種新工藝。干式切削技術(shù)主要具有以下特點(diǎn)。

第一，有利環(huán)境保護(hù)。干式切削技術(shù)不使用切削液，加工中產(chǎn)生的切屑干凈、清潔、無(wú)污染，易于回收和處理，不僅保護(hù)了環(huán)境，而且使加工者免受健康損害。

第二，節(jié)約生產(chǎn)成本。據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果可知，傳統(tǒng)的切削加工成本中，有毒有害的切削液及含有切削液的切屑處理費(fèi)用相當(dāng)高，其綜合處理費(fèi)用已經(jīng)達(dá)到零件制造成本的近16%。而干式切削加工技術(shù)由于不使用切削液，省去了與切削液有關(guān)的一切費(fèi)用，因此，相對(duì)于傳統(tǒng)加工技術(shù)，生產(chǎn)成本大為降低。

第三，提高生產(chǎn)效率。在干式切削加工中，可以采用較大的切削深度和較高的切削速度，加工效率高，降低了能源消耗。

2 干式切削技術(shù)的形式

2.1 全干式切削

全干式切削法也稱高速干式切削法，其是在不使用切削液的情況下，采用高強(qiáng)度刀具、較小的吃刀量進(jìn)行超高速切削，由于速度快，縮短了刀具與工件間的接觸時(shí)間，90%以上的切削熱被切屑帶走，工作區(qū)域的升溫幅度小。目前，全干式切削技術(shù)已經(jīng)在國(guó)際上得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 半干式切削

半干式切削是采用微量切削液，通過(guò)壓縮空氣霧化噴射至刀具與工件或切屑的接觸界面，從而降低加工區(qū)域溫度。與全干式切削方法相比，半干式切削對(duì)刀具的要求不高，且使用少量的切削液。據(jù)測(cè)算，半干式切削使用的切削液的量很低，僅為10～50 mL/h。由于使用切削液量少，因此，可采用環(huán)保型的切削液，也可使用植物油，對(duì)環(huán)境的影響極小。目前，半干式切削主要用于加工孔類零件。

2.3 低溫冷風(fēng)切削

低溫冷風(fēng)切削是一種用-30～-20 ℃的冷風(fēng)和非常微量的植物油進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑的加工方法，由日本明治大學(xué)的橫川和彥等最先提出。試驗(yàn)表明，低溫冷風(fēng)切削在性能方面比使用切削液切削提高了2倍以上。運(yùn)用低溫冷風(fēng)切削時(shí)可使用微量植物油劑，不但降低了切削能耗，而且還消除了工件銹蝕現(xiàn)象，大大提高了切削性能。

2.4 強(qiáng)冷風(fēng)切削

強(qiáng)冷風(fēng)切削主要是將空氣壓縮并冷卻至-110 ℃，噴射到加工區(qū)域，代替切削液，起到潤(rùn)滑和冷卻作用。使用這種方法時(shí)，低溫空氣可以迅速帶走熱量，而用噴嘴噴射，又可以吹走切屑，因此，加工區(qū)域溫度升高不明顯，也未產(chǎn)生熱量，工件變形小，加工精度高。目前，強(qiáng)冷風(fēng)切削主要用于磨削。

3 干式切削技術(shù)的關(guān)鍵因素

由于在干式切削加工中不使用切削液，缺少了切削液的冷卻和潤(rùn)滑，使刀具與加工材料之間的摩擦增大，溫度升高，從而造成刀具壽命縮短、加工精度和切削效率下降，影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。為了解決冷卻、摩擦、排屑等問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)和應(yīng)用耐熱的刀具材料及涂層，設(shè)計(jì)合適的刀具幾何形狀，采用適合干式切削的機(jī)床，選擇相應(yīng)的切削參數(shù)?？梢?jiàn)，影響干式切削技術(shù)的三個(gè)關(guān)鍵因素是刀具、機(jī)床和切削參數(shù)。

3.1 刀具

由于干式切削加工與傳統(tǒng)使用切削液進(jìn)行加工的條件不同，其面臨著高溫、磨損加劇的狀況，因此要求刀具材料具有較高的耐熱性和耐磨性，以及更高的強(qiáng)度和耐沖擊性等。

3.1.1 新式刀具材料。目前，適用于干式切削的刀具材料主要有金屬陶瓷、聚晶金剛石和立方氮化硼等材料。這些材料的主要特點(diǎn)是耐高溫，而且高溫下仍然具有較大的硬度。

金屬陶瓷是硬質(zhì)合金的一種形式，它含有堅(jiān)硬的鈦基化合物（碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦）、黏結(jié)劑是鎳或鎳鉬。與常規(guī)硬質(zhì)合金刀具相比，金屬陶瓷刀具能承受更高的切削溫度，加工的工件表面質(zhì)量也比較好。

聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond，PCD）是目前世界上人造物質(zhì)中最硬的材料，也是最耐磨的，用其制作的刀具可以加工硬度非常高的材料。但是，由于PCD的主要化學(xué)成分為碳，其與鐵元素的親和力非常好，因此不能用于加工黑色金屬。另外，PCD不耐高溫，用其制作的刀具主要用來(lái)加工有色金屬。

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）是一種非常硬的刀具材料，硬度僅次于金剛石。但是不同于聚晶金剛石，其非常耐高溫，高溫硬度高達(dá)2 000 ℃，而且具有較高的沖擊強(qiáng)度和抗破碎性能，比較適合加工淬硬金屬。

3.1.2 涂層技術(shù)。所謂涂層技術(shù)就是在刀具的刀體上涂上一層或多層不同性質(zhì)的材料，從而具有對(duì)刀具整體性能的加強(qiáng)和提高作用。在金屬切削加工過(guò)程中，刀具涂層技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，常見(jiàn)的數(shù)控刀具幾乎都有涂層。由于涂層材料具有一些特殊性能，如高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫，因此能降低加工時(shí)刀具與工件的所產(chǎn)生的摩擦力。涂層的材料種類繁多，但是常見(jiàn)的主要有兩種，即PVD和CVD。PVD是指以氮化鈦為主要材料的涂層，應(yīng)用比較廣泛，目前在所有涂層刀具中占有80%。PVD涂層比較薄，一般以硬質(zhì)合金作為基體材料。CVD是指以氧化鋁為主要材料的涂層，主要用于黑色金屬的加工。

3.1.3 刀具的結(jié)構(gòu)。除了刀具材料之外，由于加工環(huán)境發(fā)生了變化，干式切削刀具的結(jié)構(gòu)也不同以往。干式切削刀具的正前角、后角刀尖圓弧半徑數(shù)值比普通刀具要大，這樣可以減小加工切削力，降低刀具的壓力，從而保證在沒(méi)有切削液的情況下迅速地排出切屑，降低加工中產(chǎn)生的熱量。除此之外，刀具內(nèi)部還可以設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在車刀的刀體和銑刀的每個(gè)刀齒內(nèi)部制成空心的熱管并配以冷氣系統(tǒng)，加工時(shí)可把大量的切削熱量帶走。

3.2 干式切削機(jī)床

干式切削加工中，切削速度快，沒(méi)有切削液，而加工中產(chǎn)生的熱量必須要及時(shí)排走，所以干式切削加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局肯定不同于傳統(tǒng)機(jī)床。研究表明，干式切削機(jī)床的布局多采用立式布局，工件在上、刀具在下，這樣設(shè)計(jì)可以盡可能地依靠重力排屑。機(jī)床的底座采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)并由熱膨脹系數(shù)小的材料制成，同時(shí)配備高速主軸和循環(huán)冷卻系統(tǒng)。除此之外，干式切削機(jī)床還有一些特殊的設(shè)計(jì)，如機(jī)床床身的蓋板采用雙層壁結(jié)構(gòu)，這樣可以避免切屑的溫度影響機(jī)床的本體等。

3.2.1 電主軸。高速主軸是干式切削機(jī)床的重要組成部分，一般采用電主軸的形式。電主軸的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)床的主軸即為內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)主軸，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸。其主要由無(wú)殼電機(jī)、主軸單元?dú)んw、軸承、驅(qū)動(dòng)模塊及冷卻裝置和主軸等部件組成，工作原理與電動(dòng)機(jī)的工作原理相同，即通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)中的定子繞組加載的電流或者電壓的變化來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，從而獲得不同的轉(zhuǎn)速。這種主軸設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了機(jī)床的傳動(dòng)與結(jié)構(gòu)，而且還提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)靈敏度、加工精度和工作可靠性。目前的電主軸轉(zhuǎn)速一般在10 000～20 000 r/min。

3.2.2 循環(huán)冷卻系統(tǒng)。循環(huán)冷卻系統(tǒng)是干式切削機(jī)床的重要組成部分。通過(guò)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可以降低加工區(qū)的溫度，提高機(jī)床工藝系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。循環(huán)冷卻系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)溫度傳感器，監(jiān)控加工區(qū)域溫度的變化情況，適時(shí)啟動(dòng)，降低機(jī)床整體溫度。

3.2.3 機(jī)床的床身。干式切削加工機(jī)床對(duì)床身性能要求非常高，床身材料應(yīng)具有較高的剛度、強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的抗振性。傳統(tǒng)的機(jī)床床身所使用的鑄鐵材料已經(jīng)不能適應(yīng)干式切削加工。近年來(lái)，出現(xiàn)了很多新型材料，其中使用較廣泛的是人造花崗巖。這種材料的阻尼特性比鑄鐵高7～10倍，而比重只有鑄鐵的1/33.4。

3.2.4 機(jī)床的導(dǎo)軌。干式切削機(jī)床的導(dǎo)軌與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床一樣，多采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，同時(shí)進(jìn)給電機(jī)與絲杠直接相連，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈;另外，還安裝消隙裝置，消除間隙。除此之外，干式切削機(jī)床的導(dǎo)軌還采用一些特有形式，如三角組合導(dǎo)軌形式，如圖3所示，通過(guò)在兩根導(dǎo)軌中間安裝第三根導(dǎo)軌來(lái)消除運(yùn)動(dòng)部件在床身上的翹起和扭曲，并采用三個(gè)導(dǎo)軌滑塊，提高導(dǎo)軌的承載能力和剛性，確保加工穩(wěn)定性。

3.3 切削參數(shù)

由于干式切削加工無(wú)切削液，且加工環(huán)境溫度高，因此，切削參數(shù)選擇的一般原則是：較高的切削速度、中等的進(jìn)給量和較大的切削深度。但需要注意的是，仍需要根據(jù)刀具材料、加工材料特點(diǎn)及工藝環(huán)境等多重因素結(jié)合來(lái)考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，以及干式切削加工中技術(shù)問(wèn)題（如機(jī)床、刀具等）不斷得以解決，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。實(shí)踐證明，干式切削技術(shù)在節(jié)省資源和能源、減少對(duì)環(huán)境的污染、降低制造成本等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是一種清潔制造技術(shù)，符合綠色制造的要求。但是干式切削加工技術(shù)對(duì)刀具和機(jī)床的要求較高，增加了加工成本，推廣受到了限制。因此，當(dāng)前出現(xiàn)了一些改良的干切削式加工技術(shù)，比如，采用綠色切削液的加工技術(shù)、使用微量切削液的準(zhǔn)干式加工技術(shù)、低溫氣體冷卻加工技術(shù)等。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以干式切削加工技術(shù)為代表的綠色制造必將會(huì)有更大范圍的應(yīng)用，必將展現(xiàn)出廣闊而美好的發(fā)展前景。

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