干切削加工及其措施
2007-1-22
切削液的使用必须符合环保要求，为此人们进行了大量的探索与研究，如开发新型切削液、加强切削液管理、采用切削废液处理技术以及改进冷却方法等，试图减小使用切削液所带来的不利影响，但都未能取得很满意的效果。而要从根本上消除传统切削液带来的不利因素，干切削(Dry Cutting)是一种可行的方法。本文结合当前国内外在干切削加工技术方面的经验，分析了影响干切削加工的因素，在此基础上探讨了实现干切削加工的一些措施，最后简要介绍了国内外对干切削加工的研究与应用情况。
1 影响干切削加工的因素
干切削是指在切削加工中不使用切削液的工艺方法。它从源头上消除了切削液带来的一系列环境负面效应，主要具有如下特点：(1)形成的切屑洁净、无污染、易于回收和处理；(2)省去了与切削液有关的供应、回收、过滤等有关装置的购买及保养费用，以及与切屑、切削液处理有关的费用，既简化了生产系统，又节约了生产成本；(3)不污染环境，工厂无需承担切削废液污染责任，也不会发生与切削液有关的安全及质量事故。
然而在加工中若不使用切削液，会使切削状态进一步恶化，即切削温度升高，刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦会进一步加剧，排屑不畅，刀具寿命降低，并使加工表面质量变差。因此，要使干切削加工能顺利进行，就必须寻求技术上的解决方案，使其能弥补切削液的主要功能。这就要求仔细分析各种特定的边界条件和影响干切削加工的复杂因素。
2 实现干切削加工的措施
◆研制适合干切削加工的刀具材料
开发适合干切削加工的刀具材料是其成功应用的关键之一。在干切削加工时，一般采用比普通加工要高的切削速度，这样可以加速排屑及散热，从而提高刀具寿命、增加刀具的抗热性能。但在高速切削时，切削区会产生大量的热量，切削用量越大，切削区的温度也越高，传统方法一般都要加冷却液冷却，然而采用新型刀具材料以及选择合理的切削参数，既可承受切削过程中的高温，进行高速切削，又可使产生的大部分热量传给切屑，即可进行干切削加工。
干切削刀具材料要具有优良的热性能，常用的有红硬性较高和耐磨性较好的粘结硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、涂层HSS、金刚石及立方氮化硼(CBN)等。近年来，还在Al2O3基体中添加20%～30%的SiC晶须，形成了“晶须增韧陶瓷”。SiC晶须的作用犹如钢筋混泥土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的干切削刀具材料。
◆开发刀具涂层技术
适宜的刀具涂层不仅可以增强刀具的抗热性能，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦系数，减少刀具磨损，而且能降低切削力和切削温度，提高刀具寿命，并能改善加工表面质量。因此，开发刀具涂层技术也是实现干切削加工的关键之一。
目前，干切削刀具涂层技术的主要发展趋势：一是采用“软”涂层，如德国Guhring公司开发的“MOVIC”软涂层工艺，就是在刀具表面涂覆一层固体润滑剂-MoS2，这种涂层刀具表面有润滑功能，在加工时可减少切屑与刀具之间的摩擦，避免产生积屑瘤，提高刀具寿命。试验表明，在含9%Si的铝合金上进行干攻丝加工，未涂层丝锥只能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可加工1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可加工4000个孔。二是采用软/硬组合涂层，即先在刀具上涂上 “硬”涂层(如TiN)，再在其上涂“软”涂层(如MoS2)。如采用一种(Ti，Al)N+MoS2涂层的钻头干钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔，刀具寿命高达1600min，而只涂TiN或TiCN涂层的钻头，其寿命分别为19.6min和44min。
◆优化刀具几何形状
在干切削加工中，刀具几何形状的优化非常重要。标准刀具不宜采用干式切削，为此干切削加工应选择优化的刀具几何形状，以减少加工中刀具与切屑间的摩擦。刀具几何形状优化应做到：第一、减少刀具/工件表面之间的接触面积，如钻头应减少倒锥和螺旋角；第二、考虑刀具表面的最大润滑性，防止积屑瘤的产生。
此外在干切削加工时，细颗粒优质硬质合金刀具和金刚石刀具的切削刃口可作轻微的小钝化，以其自身基体的强度来保持刃口的锋利，达到降低切削温度的目的。这不但可保持刀具的高性能，而且还可保持刀具的最佳使用寿命。
◆采用MQL技术
在无法完全实现干切削的情形下，可采用“切削液最少量(Minimal Quantities of Lubricant，MQL)”技术来尽量减少切削液的使用量，MQL也称为准干切削(Near Dry Cutting)。这里的“切削液最少量”是指供给切削过程很少量的切削液(当机床工作在最佳条件下时，切削液消耗量应在50mL/h以下，而采用正常射流冷却时的切削液消耗量可能超过6L/min)。
MQL技术主要有气雾外部润滑和内部冷却两种方式：气雾外部润滑方式是将冷却液送入喷射冷却系统里面与气体混合，在高压下通过一个多头喷嘴将雾化为毫微米级的气雾不断喷射到刀具表面，对刀具进行冷却和润滑；气雾内冷却方式是直接将冷却气雾通过主轴和刀具送入切削区域，对其进行冷却和润滑。根据加工需要，可将内、外气雾两种冷却润滑方式配合使用，效果会更佳。
MQL技术最大的好处在于，如果使用恰当，刀具、工件和切屑可保持干燥，这就避免了废物处理的麻烦，所以把这种技术也称为“干切削”是有道理的。目前，MQL技术主要用于在铸铁、钢和铝合金上进行钻孔、铰孔和攻丝加工，以及深孔钻削和铝合金的端面铣削等。
◆采用合理的加工方式
干切削加工由于不使用切削液，热切屑容易滞留在切削区内，增加工件、刀具及机床的热度。如果热量过大还会引起工件硬化以及刀具变形，使工件表面产生裂纹。因此，排屑就成为一个主要问题。但随着加工技术的发展，采用合理的加工方式也可解决排屑问题。如将传统的从上往下进行的钻削方式，改由从下往上钻削可利用重力排屑，也无须一定压力的切削液来辅助排屑。此外，利用抽吸系统可将切削区内的润滑气雾、气体和切屑吸净；利用喷气系统也可改善排屑条件。在有些无法完全排屑的情况下，也可采用自动、手动相结合的排屑方法。
除了上述几种方法之外，还可采用其它一些措施：如选用合理的切削参数；提高刀具的设计与制造能力，因为复杂的刀具几何结构可解决封闭空间的排屑问题以及减小切削力；使用具有排屑快速、有效的新式机床，以及研制专门用于干切削加工的机床等。
3 干切削加工技术的应用
干切削曾是一种有争议的加工方法，但随着刀具材料、涂层技术、刀具结构与工艺装备的发展以及法律和市场的要求，美国、德国和日本等国家已进行了大量的研究并应用于实际生产，取得了明显的经济效益与社会效益。
美国LeBLond Makino公司研究开发的“红月牙”(Red Crescent)铸铁干切削技术就是利用陶瓷或CBN刀具进行高速加工。由于切削速度和进给量很高，产生的热量很快聚集在刀具前端，使该处的工件材料达到红热状态，其屈服强度下降，可大大提高切削效率。通常铸铁的金属切除率(车削)为16cm3/min，而采用红月牙干切削加工可使其提高到149cm3/min。该公司还发明了一种专利工艺，可用硬质合金刀具在切削速度达305m/min时对淬火钢(>50HRC)及钛合金进行干车削加工，切削热由通过主轴的高压冷却气体带走，切削温度可降至最低，每转中刀具与工件接触可限制在25%以内。
日本Syun-ichi Yamagata研究开发了钢材的干式挤压丝锥，与普通的湿式挤压丝锥相比，可显著提高丝锥寿命。如用普通挤压丝锥加工冷却轧钢板上M4×0.7的通孔螺纹，加工约7,000个孔时，丝锥切削部分便产生磨损与粘结，使切削无法继续进行；而采用干式挤压丝锥加工50,000个以上的孔也不会产生粘结和显著的磨损，丝锥还可继续使用。使用结果表明：干式挤压丝锥与普通挤压丝锥相比，刀具寿命可提高几倍或十倍。
德国Guhring公司对发动机中的铝制零件进行了高速干钻削加工研究，取得了显著的经济效益，并树立了良好的企业环保形象。此外，德国、芬兰、英国等对高速齿轮干滚削、干式镗削等加工方式也进行了研究，并在生产中得到了应用，取得了良好的效果。
目前我国的干切削主要是传统的铸铁铣削加工，而对其它切削加工的干式加工方法的研究和应用还很小。