高速干式切削加工技术及其应用(上)

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　　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。

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　　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：

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　　(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。

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　　(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。

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　　(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。

　　(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。

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　　(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。

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　　2.实现高速干式切削加工的关键技术

　　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：

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　　(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。

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　　(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。

　　(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。

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　　(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。

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　　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。