1.引言
隨著“21世紀綠色制造工程”的提出和實施，高速干式切削加工技術日益成為人們關注的焦點和熱點。迄今，大多數(shù)金屬切削加工仍是以使用切削液的濕式加工方式來進行。切削液具有冷卻、潤滑、排屑、清洗、防銹等功能，并對延長刀具使用壽命、保證加工表面質(zhì)量起著重要作用。但是，在切削過程中使用切削液，一方面造成了資源和能源的巨大浪費（據(jù)德國公司的統(tǒng)計資料，切削液使用費用占總制造成本的16%，而切削刀具費用僅占總制造成本的3%～4%）。另一方面，切削液會對環(huán)境產(chǎn)生較嚴重的污染，甚至會危害工人健康。隨著全球環(huán)境保護意識的不斷增強和環(huán)境保護立法的日益嚴格，對環(huán)境無污染的“綠色制造”被認為是可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代制造業(yè)模式。為使金屬切削加工盡可能達到綠色制造的要求，可減少環(huán)境污染、節(jié)省資源和能源的高速干式切削技術越來越多地受到人們的關注。
所謂高速干式切削加工，是指在高速機械加工中，為保護環(huán)境、降低成本而有意識地減少或完全停止使用切削液。高速切削加工具有以下優(yōu)越性：
（1）隨著切削速度的提高，單位時間內(nèi)的材料切除率（切削速度、進給量和切削深度的乘積，v×f×ap）增加，切削加工時間減少，從而可大幅度提高加工效率，降低加工成本。
（2）在高速切削加工范圍內(nèi)，切削力隨著切削速度的提高而減小，根據(jù)切削速度的提高幅度，切削力平均可減少30%以上，有利于對剛性較差的零件和薄壁零件的切削加工。
（3）高速切削加工時，切屑以很高的速度排出，可帶走大量切削熱。切削速度愈高，帶走的熱量愈多（約90%以上），傳給工件的熱量大幅度減少，有利于減小加工零件的內(nèi)應力和熱變形，提高加工精度。
（4）從動力學的角度，在高速切削加工過程中，切削力隨切削速度的提高而降低，而切削力正是切削過程中產(chǎn)生振動的主要激勵源。轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，而工件的加工表面粗糙度對低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。
（5）高速切削可加工硬度45～65HRC的淬硬鋼鐵件，如采用高速切削加工淬硬后的模具，可減少甚至取代放電加工和磨削加工，滿足加工質(zhì)量的要求。
2.實現(xiàn)高速干式切削加工的關鍵技術
在高速干式切削加工中，由于切削過程缺少切削液的潤滑、冷卻、排屑等作用，相應地會出現(xiàn)以下問題：
（1）由于缺少切削液的潤滑作用，高速干式切削加工中的切削力會大大增加，刀具與工件之間的振動會加劇，從而導致工件加工表面質(zhì)量變差，刀具磨損加快，刀具使用壽命縮短。
（2）由于缺少切削液的冷卻作用，高速干式切削加工會在加工瞬間產(chǎn)生大量熱量，這些熱量主要集中在切屑中，會影響切屑的成型，過熱的高溫環(huán)境會導致形成帶狀和纏結(jié)狀切屑并纏繞在刀具上，影響后續(xù)切削，加劇刀具磨損。如不及時將熱量從機床的主體結(jié)構中排出，同樣會使機床產(chǎn)生嚴重的熱變形，影響加工精度和降低工件表面質(zhì)量。
（3）在高速干式切削加工某些材料（如石墨電極等）時，會產(chǎn)生大量粉塵，如不能及時清除，會嚴重損害操作工人的身體健康，同時細微顆粒也會侵入絲杠、軸承等機床關鍵部件，加大機床的磨損，影響機床的加工精度和穩(wěn)定性。
（4）由于高速干式切削加工與高速濕式切削加工的切削過程有所不同，為使機床能夠穩(wěn)定地完成切削過程，需要對原來高速濕式切削加工選用的切削參數(shù)作相應修改和調(diào)整，才能應用于高速干式切削加工。
為了解決以上問題，使高速干式切削加工在規(guī)定時間內(nèi)達到與高速濕式切削加工相當（甚至更高）的加工質(zhì)量和刀具耐用度，就必須對包括機床、刀具、工件以及切削參數(shù)在內(nèi)的整個工藝系統(tǒng)進行全面的考慮權衡，并采取相應的工藝措施，以彌補高速干式切削加工的不足。
2.1 高速干式切削加工機床技術
由于高速干式切削加工機床不再使用切削液，必然導致其整體結(jié)構及布局的變化，主要體現(xiàn)在對機床的隔熱性能、排屑速度、洗塵效果和機床基礎構件的三剛度（靜剛度、動剛度和熱剛度）等方面提出了更高要求。
(1)選用三剛度高的高速機床
由于高速干式切削加工過程中會產(chǎn)生更大的切削力和更多的切削熱，從而導致刀具與工件之間的振動以及機床的熱變形明顯增大，因此選用的機床基礎構件（如立柱、床身、工作臺等）的三剛度要大，如采用人造花崗巖等新材料整體制造床身，不僅三剛度好，而且減振效果明顯。此外，將被認為是“21世紀的新式數(shù)控機床”、“機床結(jié)構的重大技術革命”的虛擬軸機床與高速干式切削加工技術結(jié)合起來，將會獲得更好的效果。
(2)采用快速排屑布局
應用高速干式切削加工的要點之一是要在切屑中的大部分熱量傳入機床之前迅速將其排出。為此，可采取以下排屑方法：
①為了便于排屑，高速干式切削加工機床應盡可能采用立式主軸和傾斜式床身，工作臺四周應采用傾斜的隔板，這樣有助于熱切屑迅速墜入排屑槽中。
②借助重力排屑。以鉆削加工為例，可改變機床常規(guī)布局，將工件安裝在主軸下部，刀具從下向上鉆削，在重力作用下，切屑可從孔中順利排出，而無須使用帶壓力的切削液來輔助排屑。
③利用虹吸現(xiàn)象排屑。在鉆削加工中，可利用干燥的空氣通過虹吸作用吸出孔中的切屑，而無須使用切削液。
④利用真空或噴氣系統(tǒng)改善排屑條件。如日本某公司開發(fā)的“潔凈回收系統(tǒng)”，采用將刀具部分罩住的結(jié)構，利用從內(nèi)部吹出的壓縮空氣，使切屑順著刀具回轉(zhuǎn)方向經(jīng)螺旋管道排出。
(3)采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構和適當?shù)母魺岽胧?
機床床身采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構和材料，可將切削熱的影響降到最低程度。如采用均衡溫度的結(jié)構，將床身的左右兩側(cè)、頂部和底部設計成四個相通的型腔并注入油液，即可保證整個床身具有相同的溫度。此外，機床立柱與底座等基礎構件采用對稱結(jié)構并選用熱容量小的材料，主軸采用恒溫水冷裝置等，都能提高機床的熱穩(wěn)定性。
采取適當?shù)母魺岽胧�，如排屑槽用絕熱材料制造，高速切削區(qū)采用絕熱罩來隔斷熱切屑，均可減少排屑過程中切屑傳遞給機床的熱量。
2.2 高速干式切削加工刀具技術
(1)開發(fā)適合高速干式切削加工的刀具材料
為了加速排屑和散熱，延長刀具的使用壽命，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應具有很高的紅硬性和熱韌性。目前，適用于干式切削的刀具材料主要有超細顆粒硬質(zhì)合金、聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、SiC晶須增韌陶瓷和納米晶粒陶瓷材料等。
細化后的超細顆粒硬質(zhì)合金具有很好的硬度、耐磨性、韌性和耐熱性。普通硬質(zhì)合金的平均晶粒尺寸約為2～3μm，細化晶粒的尺寸約為1～2μm，超細晶粒尺寸則在0.5μm以下。超細顆粒硬質(zhì)合金適用于需要大前角的加工場合，可用于制造高速干式切削中使用的鉆頭、深孔鉆等。立方氮化硼（CBN）材料的硬度高達3200～4000HV，具有很高的耐熱性和抗化學腐蝕性，在1200℃～1300℃的高溫下仍不會與鐵族材料發(fā)生化學反應，非常適合對鑄鐵和淬硬鋼等進行高速干式切削。聚晶金剛石（PCD）材料的硬度約為CBN的2倍，是最硬、最耐磨的刀具材料，其導熱性好，熱膨脹系數(shù)也很小，特別適合對各種銅鋁合金、非金屬材料和復合材料進行高速干式切削加工。PCD涂層刀具在高速干式切削加工鋁合金工件時可獲得良好效果。用CVD（化學沉積）工藝生產(chǎn)的金剛石涂層刀片適用于銑削加工鋁合金。在Al2O3陶瓷基體中添加20%～30%的SiC晶須即可制成晶須增韌陶瓷材料，SiC晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋，它能成為阻擋或改變裂紋擴展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高，是一種很有發(fā)展前途的刀具材料。
(2)研究開發(fā)適合高速干式切削加工的刀具涂層
對刀具表面進行涂層處理可減小刀具與工件表面之間的摩擦，減小切削力，降低對切削液潤滑作用的依賴。
目前，用于高速干式切削刀具的涂層技術主要有兩類，一種是“硬”涂層，如TiN、TiC、Al2O3等。此類涂層刀具表面硬度高、耐磨性好，其中，TiC涂層刀具抗后刀面磨損能力很強；TiN涂層刀具則有較理想的抗月牙洼磨損能力。另一種是“軟”涂層，如MoS2涂層、WS2涂層等。此類涂層刀具的優(yōu)點是表面摩擦系數(shù)很低（約0.01），切削時可減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，故又稱為自潤滑刀具。例如，瑞士開發(fā)的“MOVIC”軟涂層技術在刀具表面涂覆一層MoS2。切削實驗表明，在Si含量為9%的鋁合金工件上進行干式攻絲加工時，普通絲錐只能加工20個孔，TiAlN涂層絲錐可以加工1000個孔，而MOVIC涂層絲錐可以加工4000個孔。TiAlN是高速干式切削常用的涂層材料，它與基于MoS2的“MOVIC”軟涂層結(jié)合使用時，可獲得更好的加工效果。
(3)優(yōu)化刀具幾何形狀
針對高速干式切削加工的特點，需要對高速干式切削加工刀具的幾何形狀和結(jié)構進行優(yōu)化：
①減少加工刀具與工件表面之間的接觸面積。如加大鉆頭的導程和倒錐角，以防止切屑阻塞，改善排屑性能。改進后效果明顯，鉆孔能力可提高數(shù)倍。如美國Carboloy公司把刀片制成超大正前角（+34°）加強刃，前刀面呈多條弧形溝，以減少切屑與前刀面的接觸，使切削溫度大大降低，采用常規(guī)切削速度加工時，刀具壽命可提高3～4倍。
②考慮刀具表面的最大潤滑性，防止產(chǎn)生積屑瘤。
③在高速干式切削加工時，可對細顆粒硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具的切削刃口作微小鈍化，以刀具基體的強度來保持刃口的鋒銳性，達到降低切削溫度的目的。這樣不但可保持刀具的優(yōu)良性能，還可延長刀具的最佳使用壽命。
④在高速干式切削加工韌性材料時，斷屑槽的斷屑性能起著十分關鍵的作用。可針對不同的工件材料和切削用量，設計相應的斷屑槽結(jié)構與尺寸，提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。在封閉空間進行高速干式切削（如干式鉆削、干式鉸削、干式攻絲等）時，則應增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度。例如，德國WZL的切削試驗表明，在用硬質(zhì)合金鉆頭干式鉆削回火鋼時（孔深30mm，孔徑11.8mm，進給速度vc=80m/min，每次進給量f=0.2mm），標準鉆頭只能鉆削約400個孔，而經(jīng)過優(yōu)化設計、加寬了鉆頭排屑槽幾何形狀的鉆頭可鉆削高達2200個孔，優(yōu)勢明顯。
2.3 高速干式切削加工參數(shù)的選擇
針對高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削熱明顯增大的情況，需要重新考慮權衡和合理選用相應的切削參數(shù)，以使高速干式切削加工過程的動態(tài)穩(wěn)定性滿足加工要求。
2.4 高速干式切削加工輔助技術
如前所述，高速干式切削時切削力大、切削溫度高，尤其在對某些超硬材料進行干式加工時難度很大，因此可以采用某些特殊加工輔助技術。如在對氮化硅（Si3N4）工件進行高速干式切削時，由于該材料的抗拉強度極高，使用任何刀具都會很快破損，此時可采用激光輔助切削技術，即用激光束對工件切削區(qū)進行預熱，使工件材料局部軟化（抗拉強度由750N/mm降至400N/mm），這樣可改善材料的可加工性，使切削力減小30%～70%，刀具磨損降低80%左右，切削過程中的振動也明顯減少，材料切除率大大提高，使高速干式切削得以順利進行。
此外，還可采用液氮冷卻高速干式切削和高速準干式切削技術，其中，高速準干式切削（也稱為最小量潤滑技術，MQL）是目前已投入應用的一種新型切削技術。用MQL方法進行切削加工，工件和切屑可保持干燥、清潔，干凈的切屑經(jīng)過壓縮還可回收利用，完全不會污染環(huán)境。該技術所需投資很少，但收效很大。據(jù)稱，目前歐洲每年約需15000臺具有最小潤滑量裝置的高速機床，而且需求量還在迅速增長。
3.高速干式切削加工技術的應用
高速干式切削加工技術是一種正在不斷發(fā)展的新興加工技術，隨著諸多技術問題（如機床、刀具、涂層、切削參數(shù)等）的不斷解決，高速干式切削加工的應用范圍正進一步擴大。目前，高速干式切削加工在車削、銑削加工中的應用（尤其是鑄鐵材料的高速切削）已日益普遍；在鉆削、鉸削、攻絲、拉削和滾齒等方面也有重大突破。
例如，德國格林公司用鈦基硬質(zhì)合金鉆頭進行高速干式鉆孔時，切削速度高于200m/min，鉆頭裝夾的同軸度小于0.01mm。該公司采用Ti（C，N）基硬質(zhì)合金鉸刀鉸孔時，與使用刃口鋒利的未涂層細晶粒硬質(zhì)合金鉸刀相比，鉸孔表面光潔度更高，刀具壽命更長。Emuge UK公司開發(fā)出了用于高速干式切削的螺紋刀具。用該刀具加工低碳結(jié)構鋼時，以15m/min的切削速度干加工1000個螺孔，絲錐未發(fā)生明顯磨損；加工工具鋼時，將切削速度降至10m/min，也能達到同樣的刀具壽命；以5m/min的切削速度在含鉻量10%的鎳基合金不銹鋼工件上攻螺紋時，可加工1000個螺孔；以20m/min的切削速度在HT300鑄件上攻螺紋時，加工超過4000個螺孔，絲錐仍未出現(xiàn)明顯磨損。據(jù)報道，美國Leistritz Carp.生產(chǎn)的新型PW系列CNC旋風機床具有多個滑動刀架，能完成車削和旋風銑削復合加工。該機床在一次安裝工件后，可對螺紋或螺旋形工件進行多工序的干式切削加工。該公司還開發(fā)出用CBN刀具在硬度高達62HRC的硬材料上旋風干銑削精密螺紋的新工藝。美國生產(chǎn)的LC82型CNC干式切削滾齒機，工作臺轉(zhuǎn)速可達250r/min，在重切削范圍內(nèi)，滾刀轉(zhuǎn)速為2000r/min，驅(qū)動功率為7.5kW。Ford公司用硬質(zhì)合金滾刀進行干式滾齒，加工成本可下降44%，且滾刀壽命比高速鋼滾刀濕式切削提高6倍（由原來加工39000個齒輪提高到252000個）。采用細晶粒TiN、Ti（C，N）或（Ti，Al）N涂層的硬質(zhì)合金滾刀干式滾齒時，切削速度可達350～400m/min。使用TiN涂層的高速鋼圓拉刀干式拉削42CrMo4V合金鋼時，拉刀壽命可比未涂層拉刀濕式拉削時提高3倍。
此外，高速干式切削加工在銑削中的應用也相當廣泛。例如：上海某汽車零部件加工企業(yè)在加工上海通用汽車公司別克轎車的排氣管時，采用SECO公司的Tl50M黑色涂層硬質(zhì)合金刀片干式銑削鑄鐵排氣管端面（刀盤型號R220-43-0088-5，88mm，z=5；刀片型號OFET070405TN-16；刀片涂層等級T150M；切削參數(shù)：n=1100r/min，i=1～1.2mm，vf=600mm/min），每個切削刃的切削壽命超過100件，與原來采用的另一公司的四方形陶瓷刀片相比，生產(chǎn)效率明顯提高，且所用八角形硬質(zhì)合金刀片有8個刃口，比陶瓷刀片的刃口數(shù)增加1倍，價格也更便宜，加工經(jīng)濟性顯著改善。再如，SECO公司開發(fā)的整體結(jié)構PCBN牌號系列中的CBN300刀片已成功運用于上海通用汽車公司新建成的發(fā)動機柔性生產(chǎn)線上，用于干式銑削灰口鑄鐵缸體平面（刀盤型號822033-0100-12CT，z=8；刀片型號SNMN090312S；切削參數(shù)：ae=80mm，ap=4～5mm，f=0.15mm，vc=1600m/min）。該刀片加工時表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，銑削速度可達1600m/min，每個切削刃的工作壽命為170件，刀具壽命為普通PCBN刀片的4倍，與陶瓷刀片相比可提高50倍，大大提高了發(fā)動機的加工效率。
4.前景展望
高速干式切削加工技術是對傳統(tǒng)的高速濕式切削生產(chǎn)方式的一種革命性變革，是一種理想的“綠色制造”工藝方法，是對傳統(tǒng)制造觀念和生產(chǎn)方式的一種挑戰(zhàn)，它的推廣應用將在機械制造行業(yè)引起廣泛而深遠的影響。國外對高速干式切削加工技術的研究已相當深入，且應用范圍也比較廣泛。我國對此項技術的研究及開發(fā)還處于起步階段，與國外相比有不小差距，在實際應用中也遇到許多困難和障礙，涉及到觀念更新和技術攻關兩個方面，需要進行長期不懈的努力。但是，高速干式切削加工代替高速濕式加工是機械制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢，相信隨著高速干式切削加工技術的進一步發(fā)展和不斷成熟，它必將展現(xiàn)出廣闊而美好的發(fā)展前景。
