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隨著“21世紀(jì)綠色制造工程”的提出和實施，高速干式切削加工技術(shù)日益成為人們關(guān)注的焦點和熱點。

在切削過程中使用切削液，雖優(yōu)點眾多，但一方面造成了資源和能源的巨大浪費（據(jù)統(tǒng)計資料介紹，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(yán)重的污染，甚至?xí)：と私】怠?/span>

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(yán)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(shù)越來越多地受到人們的關(guān)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(yīng)力和熱變形，提高加工精度。

（4）從動力學(xué)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。

一、實現(xiàn)高速干式切削加工的關(guān)鍵技術(shù)

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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(gòu)中排出，同樣會使機床產(chǎn)生嚴(yán)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(yán)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(guān)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(yīng)修改和調(diào)整，才能應(yīng)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(dāng)（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(quán)衡，并采取相應(yīng)的工藝措施，以彌補高速干式切削加工的不足。

1、高速干式切削加工機床技術(shù)

由于高速干式切削加工機床不再使用切削液，必然導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)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(chǔ)構(gòu)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(dǎo)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(chǔ)構(gòu)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(jì)的新式數(shù)控機床”、“機床結(jié)構(gòu)的重大技術(shù)革命”的虛擬軸機床與高速干式切削加工技術(shù)結(jié)合起來，將會獲得更好的效果。

(2)采用快速排屑布局

應(yīng)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(yīng)盡可能采用立式主軸和傾斜式床身，工作臺四周應(yīng)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(gòu)，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(gòu)和適當(dāng)?shù)母魺岽胧?/span>

機床床身采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)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(gòu)，將床身的左右兩側(cè)、頂部和底部設(shè)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(chǔ)構(gòu)件采用對稱結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)母魺岽胧缗判疾塾媒^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、高速干式切削加工刀具技術(shù)

(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(yīng)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。

(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(shù)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。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。

(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(gòu)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(dǎo)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(guān)鍵的作用。可針對不同的工件材料和切削用量，設(shè)計相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)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(yīng)增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度。

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(quán)衡和合理選用相應(yīng)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。

4、高速干式切削加工輔助技術(shù)

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(shù)。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(shù)，即用激光束對工件切削區(qū)進行預(yù)熱，使工件材料局部軟化（抗拉強度由750N降至400N），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(zhǔn)干式切削技術(shù)，其中，高速準(zhǔn)干式切削（也稱為最小量潤滑技術(shù)，MQL）是目前已投入應(yīng)用的一種新型切削技術(shù)。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(shù)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。

二、高速干式切削加工技術(shù)的應(yīng)用

高速干式切削加工技術(shù)是一種正在不斷發(fā)展的新興加工技術(shù)，隨著諸多技術(shù)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(yīng)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(yīng)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。此外，高速干式切削加工在銑削中的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。

三、前景展望

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