高速干式切削加工技术的应用

HEATS

　　“高速干式切削加工技术是对传统的高速湿式切削生产方式的一种革命性变革，是一种理想的“绿色制造”工艺方法，是对传统制造观念和生产方式的一种挑战，它的推广应用将在机械制造行业引起广泛而深远的影响。”

0 G5 J1 F) Y2 r( s, x. p Z5 h# L/ B5 c; U! F6 Y

　　1.引言

　　随着“21世纪绿色制造工程”的提出和实施，高速干式切削加工技术日益成为人们关注的焦点和热点。迄今，大多数金属切削加工仍是以使用切削液的湿式加工方式来进行。切削液具有冷却、润滑、排屑、清洗、防锈等功能，并对延长刀具使用寿命、保证加工表面质量起着重要作用。但是，在切削过程中使用切削液，一方面造成了资源和能源的巨大浪费(据德国公司的统计资料，切削液使用费用占总制造成本的16%，而切削刀具费用仅占总制造成本的3%～4%)。另一方面，切削液会对环境产生较严重的污染，甚至会危害工人健康。随着全球环境保护意识的不断增强和环境保护立法的日益严格，对环境无污染的“绿色制造”被认为是可持续发展的现代制造业模式。为使金属切削加工尽可能达到绿色制造的要求，可减少环境污染、节省资源和能源的高速干式切削技术越来越多地受到人们的关注。

+ {* o7 E( u ~1 O! x8 i" b

　　所谓高速干式切削加工，是指在高速机械加工中，为保护环境、降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液。高速切削加工具有以下优越性：

a& C) A, [/ \6 a4 F# T" | ) g8 `( j/ _; A+ |# Y

　　(1)随着切削速度的提高，单位时间内的材料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积，v×f×ap)增加，切削加工时间减少，从而可大幅度提高加工效率，降低加工成本。

9 j% m5 @# y! L5 ~

　　(2)在高速切削加工范围内，切削力随着切削速度的提高而减小，根据切削速度的提高幅度，切削力平均可减少30%以上，有利于对刚性较差的零件和薄壁零件的切削加工。

. S( x& t% ^5 v) T 8 x" Q0 c! j/ N

　　(3)高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，可带走大量切削热。切削速度愈高，带走的热量愈多(约90%以上)，传给工件的热量大幅度减少，有利于减小加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。

7 v0 M3 ]9 m7 a* j1 B

　　(4)从动力学的角度，在高速切削加工过程中，切削力随切削速度的提高而降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源。转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。

; h- t. f) k- ~' I& g/ _- p: ~ 2 }: g! P! ?$ u( M3 V/ b, c2 }

　　(5)高速切削可加工硬度45～65HRC的淬硬钢铁件，如采用高速切削加工淬硬后的模具，可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求。

% ?2 p3 `5 e" C+ P5 c2 R/ [# f # U/ [. E# H: \' M, j

　　2.实现高速干式切削加工的关键技术

2 K+ z) {! F% Y; [/ r

　　在高速干式切削加工中，由于切削过程缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用，相应地会出现以下问题：

# _1 a- |8 T/ Z. f 2 S' a% K6 a, ]& w0 m) Q

　　(1)由于缺少切削液的润滑作用，高速干式切削加工中的切削力会大大增加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工表面质量变差，刀具磨损加快，刀具使用寿命缩短。

. V4 O* F: e- N: `6 V3 ?* r 2 ~7 A2 w9 b0 \! t* q. a: J! E! H

　　(2)由于缺少切削液的冷却作用，高速干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环境会导致形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。如不及时将热量从机床的主体结构中排出，同样会使机床产生严重的热变形，影响加工精度和降低工件表面质量。

" \2 Z& w/ I5 J% [9 j: ]0 H" \ % e1 y0 I# c) z% R; a5 D

　　(3)在高速干式切削加工某些材料(如石墨电极等)时，会产生大量粉尘，如不能及时清除，会严重损害操作工人的身体健康，同时细微颗粒也会侵入丝杠、轴承等机床关键部件，加大机床的磨损，影响机床的加工精度和稳定性。

+ n2 O) ]/ M- @ ; n' z5 }" }& b1 q; i

　　(4)由于高速干式切削加工与高速湿式切削加工的切削过程有所不同，为使机床能够稳定地完成切削过程，需要对原来高速湿式切削加工选用的切削参数作相应修改和调整，才能应用于高速干式切削加工。

; F0 l5 B1 \- Y4 V3 e# W

　　为了解决以上问题，使高速干式切削加工在规定时间内达到与高速湿式切削加工相当(甚至更高)的加工质量和刀具耐用度，就必须对包括机床、刀具、工件以及切削参数在内的整个工艺系统进行全面的考虑权衡，并采取相应的工艺措施，以弥补高速干式切削加工的不足。

! ]2 b& P8 W& _& A- r

　　2.1高速干式切削加工机床技术

5 o0 H Q+ _- P

　　由于高速干式切削加工机床不再使用切削液，必然导致其整体结构及布局的变化，主要体现在对机床的隔热性能、排屑速度、洗尘效果和机床基础构件的三刚度(静刚度、动刚度和热刚度)等方面提出了更高要求。

8 W2 G( W+ C+ D, p

　　(1)选用三刚度高的高速机床

0 \- u4 o. }# L" i: m* U0 L# \- O

　　由于高速干式切削加工过程中会产生更大的切削力和更多的切削热，从而导致刀具与工件之间的振动以及机床的热变形明显增大，因此选用的机床基础构件(如立柱、床身、工作台等)的三刚度要大，如采用人造花岗岩等新材料整体制造床身，不仅三刚度好，而且减振效果明显。此外，将被认为是“21世纪的新式数控机床”、“机床结构的重大技术革命”的虚拟轴机床与高速干式切削加工技术结合起来，将会获得更好的效果。

" b! H6 E1 }4 _- ^; P1 v8 {! P

　　(2)采用快速排屑布局

　　应用高速干式切削加工的要点之一是要在切屑中的大部分热量传入机床之前迅速将其排出。为此，可采取以下排屑方法：

_4 x2 n& `: b % `1 O- r/ D; b, ]8 ]# b5 W

　　①为了便于排屑，高速干式切削加工机床应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身，工作台四周应采用倾斜的隔板，这样有助于热切屑迅速坠入排屑槽中。

4 M* I8 `& Z+ T : R9 n8 J# h, `

　　②借助重力排屑。以钻削加工为例，可改变机床常规布局，将工件安装在主轴下部，刀具从下向上钻削，在重力作用下，切屑可从孔中顺利排出，而无须使用带压力的切削液来辅助排屑。

　　③利用虹吸现象排屑。在钻削加工中，可利用干燥的空气通过虹吸作用吸出孔中的切屑，而无须使用切削液。

6 P( v" c( K8 Y6 j7 t% L. d8 a$ I* L

　　④利用真空或喷气系统改善排屑条件。如日本某公司开发的“洁净回收系统”，采用将刀具部分罩住的结构，利用从内部吹出的压缩空气，使切屑顺着刀具回转方向经螺旋管道排出。

2 T; m! J9 o! m3 y3 A' a8 c2 e3 g s, m

　　(3)采用热稳定性好的结构和适当的隔热措施

' P" g) ^, V6 G, J2 q

　　机床床身采用热稳定性好的结构和材料，可将切削热的影响降到最低程度。如采用均衡温度的结构，将床身的左右两侧、顶部和底部设计成四个相通的型腔并注入油液，即可保证整个床身具有相同的温度。此外，机床立柱与底座等基础构件采用对称结构并选用热容量小的材料，主轴采用恒温水冷装置等，都能提高机床的热稳定性。

7 [: |1 g% Z; B4 K* G/ n

　　采取适当的隔热措施，如排屑槽用绝热材料制造，高速切削区采用绝热罩来隔断热切屑，均可减少排屑过程中切屑传递给机床的热量。

　　2.2高速干式切削加工刀具技术

0 R! b4 _5 X. V( }$ |3 ]3 y8 H

　　(1)开发适合高速干式切削加工的刀具材料

# c5 Y1 o9 P+ v) W

　　为了加速排屑和散热，延长刀具的使用寿命，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应具有很高的红硬性和热韧性。目前，适用于干式切削的刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、SiC晶须增韧陶瓷和纳米晶粒陶瓷材料等。

; p& L% ?/ n& l4 t4 }# w: i

　　细化后的超细颗粒硬质合金具有很好的硬度、耐磨性、韧性和耐热性。普通硬质合金的平均晶粒尺寸约为2～3μm，细化晶粒的尺寸约为1～2μm，超细晶粒尺寸则在0.5μm以下。超细颗粒硬质合金适用于需要大前角的加工场合，可用于制造高速干式切削中使用的钻头、深孔钻等。立方氮化硼(CBN)材料的硬度高达3200～4000HV，具有很高的耐热性和抗化学腐蚀性，在1200℃～1300℃的高温下仍不会与铁族材料发生化学反应，非常适合对铸铁和淬硬钢等进行高速干式切削。聚晶金刚石(PCD)材料的硬度约为CBN的2倍，是最硬、最耐磨的刀具材料，其导热性好，热膨胀系数也很小，特别适合对各种铜铝合金、非金属材料和复合材料进行高速干式切削加工。PCD涂层刀具在高速干式切削加工铝合金工件时可获得良好效果。用CVD(化学沉积)工艺生产的金刚石涂层刀片适用于铣削加工铝合金。在Al2O3陶瓷基体中添加20%～30%的SiC晶须即可制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹扩展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。

　　(2)研究开发适合高速干式切削加工的刀具涂层

8 f) o% K; }+ u

　　对刀具表面进行涂层处理可减小刀具与工件表面之间的摩擦，减小切削力，降低对切削液润滑作用的依赖。

& U3 [! }+ {+ \( w4 h/ r 3 s6 ^9 k; H3 [* p5 d9 N$ Y6 R

　　目前，用于高速干式切削刀具的涂层技术主要有两类，一种是“硬”涂层，如TiN、TiC、Al2O3等。此类涂层刀具表面硬度高、耐磨性好，其中，TiC涂层刀具抗后刀面磨损能力很强；TiN涂层刀具则有较理想的抗月牙洼磨损能力。另一种是“软”涂层，如MoS2涂层、WS2涂层等。此类涂层刀具的优点是表面摩擦系数很低(约0.01)，切削时可减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，故又称为自润滑刀具。例如，瑞士开发的“MOVIC”软涂层技术在刀具表面涂覆一层MoS2。切削实验表明，在Si含量为9%的铝合金工件上进行干式攻丝加工时，普通丝锥只能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可以加工1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可以加工4000个孔。TiAlN是高速干式切削常用的涂层材料，它与基于MoS2的“MOVIC”软涂层结合使用时，可获得更好的加工效果。

9 H/ t A1 ]( m- |/ |: r

　　(3)优化刀具几何形状

. m! d3 B e; N+ ] ; s1 B. V7 q/ T2 H2 D) n% S

　　针对高速干式切削加工的特点，需要对高速干式切削加工刀具的几何形状和结构进行优化：

3 g: b% [1 z; D* N( n8 K7 D2 |

　　①减少加工刀具与工件表面之间的接触面积。如加大钻头的导程和倒锥角，以防止切屑阻塞，改善排屑性能。改进后效果明显，钻孔能力可提高数倍。如美国Carboloy公司把刀片制成超大正前角(+34°）加强刃，前刀面呈多条弧形沟，以减少切屑与前刀面的接触，使切削温度大大降低，采用常规切削速度加工时，刀具寿命可提高3～4倍。

, T' x( l) {7 \; v

　　②考虑刀具表面的最大润滑性，防止产生积屑瘤。

. _5 E) a* l: Q# W8 N: z- T/ Z9 h ; D! t; t' ~' H

　　③在高速干式切削加工时，可对细颗粒硬质合金刀具和PCD刀具的切削刃口作微小钝化，以刀具基体的强度来保持刃口的锋锐性，达到降低切削温度的目的。这样不但可保持刀具的优良性能，还可延长刀具的最佳使用寿命。

& K$ O/ J5 x; L" B

　　④在高速干式切削加工韧性材料时，断屑槽的断屑性能起着十分关键的作用。可针对不同的工件材料和切削用量，设计相应的断屑槽结构与尺寸，提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。在封闭空间进行高速干式切削(如干式钻削、干式铰削、干式攻丝等)时，则应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。例如，德国WZL的切削试验表明，在用硬质合金钻头干式钻削回火钢时(孔深30mm，孔径11.8mm，进给速度vc=80m/min，每次进给量f=0.2mm)，标准钻头只能钻削约400个孔，而经过优化设计、加宽了钻头排屑槽几何形状的钻头可钻削高达2200个孔，优势明显。

　　2.3高速干式切削加工参数的选择

5 ^. V; @5 N9 l

　　针对高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削热明显增大的情况，需要重新考虑权衡和合理选用相应的切削参数，以使高速干式切削加工过程的动态稳定性满足加工要求。

- K) O+ ]+ m! g4 [ 6 X) o/ W0 z* N* i; |

　　2.4高速干式切削加工辅助技术

1 h# Q' [& D' p4 R5 E

　　如前所述，高速干式切削时切削力大、切削温度高，尤其在对某些超硬材料进行干式加工时难度很大，因此可以采用某些特殊加工辅助技术。如在对氮化硅(Si3N4)工件进行高速干式切削时，由于该材料的抗拉强度极高，使用任何刀具都会很快破损，此时可采用激光辅助切削技术，即用激光束对工件切削区进行预热，使工件材料局部软化(抗拉强度由750N/mm降至400N/mm)，这样可改善材料的可加工性，使切削力减小30%～70%，刀具磨损降低80%左右，切削过程中的振动也明显减少，材料切除率大大提高，使高速干式切削得以顺利进行。

; W1 v. T( A; L( H( k% R Q + ^/ d7 U% o/ S. ?1 A0 w7 c

　　此外，还可采用液氮冷却高速干式切削和高速准干式切削技术，其中，高速准干式切削(也称为最小量润滑技术，MQL)是目前已投入应用的一种新型切削技术。用MQL方法进行切削加工，工件和切屑可保持干燥、清洁，干净的切屑经过压缩还可回收利用，完全不会污染环境。该技术所需投资很少，但收效很大。据称，目前欧洲每年约需15000台具有最小润滑量装置的高速机床，而且需求量还在迅速增长。

6 H4 G, w8 o; S0 D9 _4 F$ @. c

　　3.高速干式切削加工技术的应用

　　高速干式切削加工技术是一种正在不断发展的新兴加工技术，随着诸多技术问题(如机床、刀具、涂层、切削参数等)的不断解决，高速干式切削加工的应用范围正进一步扩大。目前，高速干式切削加工在车削、铣削加工中的应用(尤其是铸铁材料的高速切削)已日益普遍；在钻削、铰削、攻丝、拉削和滚齿等方面也有重大突破。

　　例如，德国格林公司用钛基硬质合金钻头进行高速干式钻孔时，切削速度高于200m/min，钻头装夹的同轴度小于0.01mm。该公司采用Ti(C，N)基硬质合金铰刀铰孔时，与使用刃口锋利的未涂层细晶粒硬质合金铰刀相比，铰孔表面光洁度更高，刀具寿命更长。Emuge UK公司开发出了用于高速干式切削的螺纹刀具。用该刀具加工低碳结构钢时，以15m/min的切削速度干加工1000个螺孔，丝锥未发生明显磨损；加工工具钢时，将切削速度降至10m/min，也能达到同样的刀具寿命；以5m/min的切削速度在含铬量10%的镍基合金不锈钢工件上攻螺纹时，可加工1000个螺孔；以20m/min的切削速度在HT300铸件上攻螺纹时，加工超过4000个螺孔，丝锥仍未出现明显磨损。据报道，美国Leistritz Carp.生产的新型PW系列CNC旋风机床具有多个滑动刀架，能完成车削和旋风铣削复合加工。该机床在一次安装工件后，可对螺纹或螺旋形工件进行多工序的干式切削加工。该公司还开发出用CBN刀具在硬度高达62HRC的硬材料上旋风干铣削精密螺纹的新工艺。美国生产的LC82型CNC干式切削滚齿机，工作台转速可达250r/min，在重切削范围内，滚刀转速为2000r/min，驱动功率为7.5kW。Ford公司用硬质合金滚刀进行干式滚齿，加工成本可下降44%，且滚刀寿命比高速钢滚刀湿式切削提高6倍(由原来加工39000个齿轮提高到252000个)。采用细晶粒TiN、Ti(C，N)或(Ti，Al)N涂层的硬质合金滚刀干式滚齿时，切削速度可达350～400m/min。使用TiN涂层的高速钢圆拉刀干式拉削42CrMo4V合金钢时，拉刀寿命可比未涂层拉刀湿式拉削时提高3倍。

$ U' P+ \+ \6 y. B

　　此外，高速干式切削加工在铣削中的应用也相当广泛。例如：上海某汽车零部件加工企业在加工上海通用汽车公司别克轿车的排气管时，采用SECO公司的Tl50M黑色涂层硬质合金刀片干式铣削铸铁排气管端面(刀盘型号R220-43-0088-5，88mm，z=5；刀片型号OFET070405TN-16；刀片涂层等级T150M；切削参数：n=1100r/min，i=1～1.2mm，vf=600mm/min)，每个切削刃的切削寿命超过100件，与原来采用的另一公司的四方形陶瓷刀片相比，生产效率明显提高，且所用八角形硬质合金刀片有8个刃口，比陶瓷刀片的刃口数增加1倍，价格也更便宜，加工经济性显著改善。再如，SECO公司开发的整体结构PCBN牌号系列中的CBN300刀片已成功运用于上海通用汽车公司新建成的发动机柔性生产线上，用于干式铣削灰口铸铁缸体平面(刀盘型号822033-0100-12CT，z=8；刀片型号SNMN090312S；切削参数：ae=80mm，ap=4～5mm，f=0.15mm，vc=1600m/min)。该刀片加工时表现出优异的切削性能，铣削速度可达1600m/min，每个切削刃的工作寿命为170件，刀具寿命为普通PCBN刀片的4倍，与陶瓷刀片相比可提高50倍，大大提高了发动机的加工效率。

, v: d y" }8 r+ p/ X4 w' ?& C

　　4.前景展望

6 ?; F+ J* v- p2 r! W& c' d 5 M& u5 o. S) s: D, H

　　高速干式切削加工技术是对传统的高速湿式切削生产方式的一种革命性变革，是一种理想的“绿色制造”工艺方法，是对传统制造观念和生产方式的一种挑战，它的推广应用将在机械制造行业引起广泛而深远的影响。国外对高速干式切削加工技术的研究已相当深入，且应用范围也比较广泛。我国对此项技术的研究及开发还处于起步阶段，与国外相比有不小差距，在实际应用中也遇到许多困难和障碍，涉及到观念更新和技术攻关两个方面，需要进行长期不懈的努力。但是，高速干式切削加工代替高速湿式加工是机械制造业未来的发展趋势，相信随着高速干式切削加工技术的进一步发展和不断成熟，它必将展现出广阔而美好的发展前景。

/ H* h0 o1 U8 A5 x7 R