乾式切削

首先，要了解切削液在傳統切削過程中的作用。切削液通常是大多數機加工中不可缺少的生產要素之一，對保證加工精度、提高表面質量和生產效率具有重要作用。隨着全球環境意識的增強以及環保法規的要求越來越嚴格，切削液對環境的負面作用也越來越明顯。據統計，二十年前，切削液的費用不到工件成本的3%左右，在高生產率的生產企業，切削液的供給、保養及回收處理費用加在一起要佔到工件製造成本的13%-17%，而刀具費用僅佔2%-5%。在與切削液有關的總費用中，有22%左右是切削液的處理費用。據估計，如果20%的切削加工採用乾式切削加工，總的製造成本可降低1.6%。對環境無污染的綠色製造被認為是可持續發展的現代製造業模式。而在加工過程中不用任何切削液的幹切削正是控制環境污染源頭的一項綠色製造工藝，它可獲得潔淨、無污染的切屑，省去了切削液及其處理等大量費用，可進一步降低生產成本。因此，未來切削加工的方向是不用或用盡量少的切削液。隨着耐高温刀具材料和塗層技術的發展，使得幹加工在機械製造領域變為可能。幹切削(DryCutting)技術就是在這樣的歷史背景下應運而生，並從九十年代中期以來迅速發展起來的，其發展歷史不過十年，是先進製造技術的一個前沿研究課題 ^[1]  。

帶走切削產生的熱量，減少刀具磨損，防止工件表面氧化。

減小摩擦，降低切削力，保證切削順暢。

迅速帶走工件表面的切屑，並防止切屑劃傷工件表面。

但從環境保護方面考慮，切削液的負面效應也愈加明顯，主要表現在以下幾個方面：

1)加工過程中產生的高温使切削液形成霧狀揮發，污染環境並威脅操作者的健康；

2)某些切削液及粘帶該切削液的切屑必須作為有毒有害材料處理，處理費用非常高；

3)切削液的滲漏、溢出對安全生產有很大影響;4)切削液的添加劑(如硫、氯等)會給操作者的健康造成危害並影響加工質量。

另外，對切削過程的大量研究也表明了切削液傳統的冷卻、潤滑和排屑等作用在很多加工過程中尤其是高速切削中得不到充分而有效的發揮。因此，人們試圖不用或少用切削液來改變這種狀況，以適應清潔生產工藝和減小生產成本的要求。幹切削加工技術就是在這種情況下產生的一種先進加工方法。採用幹切削技術不僅可以減少切削液的環境污染，改善操作者的工作條件，而且省去了切削液的相關費用，降低了切屑回收處理的成本。幹切削技術對機牀和刀具技術提出了更高的要求。近年來工業發達國家非常重視乾式切削研究。乾式切削加工這種新型加工方法是未來金屬切削加工的發展趨勢之一。

（1）切屑乾淨清潔無污染，易於回收和處理

（2）省去了切削液傳輸，回收，過濾等裝置及相應的費用，簡化了生產系統，降低了生產成本

（3）省去了切削液與切屑的分離裝置及相應的電氣設備。機牀結構緊湊，減少佔地面積

（4）不會產生環境污染

（5）不會產生與切削液有關的安全事故及質量事故。

（1）刀具應具有優異的耐熱性能(高温硬度)與耐磨性能

（2）儘量減小刀具與切屑間的摩擦係數

（3）減少對切削液排屑作用的依賴

切削熱傳出和切屑、塵埃的排出要迅速。

應特別注意刀具材料與工件材料間的合理匹配。

高硬度材料的出現，為乾式切削提供了可能。幹切削不僅要求刀具材料具有極高的紅硬性和熱韌性，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱衝擊和抗粘結性。應用於乾式切削加工的刀具材料主要是:超細硬質合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石等超硬度材料。超細硬質合金可以提高普通硬質合金的韌性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可製作大前角的深孔鑽頭和刀片，用於銑削和鑽削的乾式加工。陶瓷刀具等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的紅硬性，因此很適合於一般目的的幹切削而無須冷卻液。但是這類材料一般較脆，即熱韌性不好，故不適用於進行斷續切削。也就是説，陶瓷刀具較適合用於進行幹車削而不適用於幹銑削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，達HV3200~HV4000，僅次於金剛石，熱傳導率好，達1300W/MK，具有良好的高温化學穩定性，在1200℃下熱穩定性很好。採用CBN刀具加工鑄鐵，可大大提高切削速度，用於加工淬火鋼，可以以車削代替磨削。聚晶金剛石(PCD)刀具硬度非常高，可達HV7000~HV8000，熱導率可達2100 W/MK，線膨脹係數小。PCD刀具切削時產生的熱能可以很快從刀尖傳遞到刀體，從而減少刀具熱變形引起的加工誤差。PCD刀具比較適用於乾式加工銅、鋁及鋁合金工件。

對刀具進行塗層處理，是提高刀具性能的重要途徑。近十年來，刀具塗層技術發展非常迅速，塗層材料多達15種，有的刀具在刀體上的塗層多達13層。塗層工藝也越來越成熟，隨着技術的發展，現已解決了塗層與基體材料結合強度低的技術難題。塗層刀具分兩大類:一類是“硬”塗層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC塗層刀具抗後刀面磨損的能力特別強，而TiN塗層刀具則有較高的抗“月牙窪”磨損能力。另一類是“軟”塗層刀具，如:MOS2,W S等塗層刀具。這類塗層刀具也稱為“自潤滑刀具”，它與工件材料的摩擦係數很低，只有0.01左右，能有效減少切削力和降低切削温度。例如瑞士開發的“MOVIC”塗層絲錐，刀具表面塗覆有一層MOS2。切削實驗表明:未塗層絲錐只能加工20個螺孔;用TiAlN塗層絲錐時可加工1000個螺孔，而MOS2塗層的絲錐可加工4000個螺孔。高速鋼和硬質合金經過PVD塗層處理後，可以用於幹切削。原來只適用於進行鑄鐵幹切削的CBN刀具，在經過塗層處理後也可用來加工鋼、鋁合金和其他超硬合金。

實際上 ，塗層有類似於冷卻液的功能，它產生一層保護層，把刀具與切削熱隔離開來，使熱量很少傳到刀具，從而能在較長的時間內保持刀尖的堅硬和鋒利。表面光滑的塗層還可以減少摩擦來降低切削熱，保持刀具材料不受化學反應的作用，因為在大多數高速幹切削中，高温對化學反應有很大的催化作用。TiAlN塗層和Mo2軟塗層還可交替塗覆，形成一個多塗層刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦係數小、切屑易流出的優點，有優良的替代冷卻液的功能。在幹切削技術中，刀具塗層發揮着非常重要的作用。

幹切削刀具通常以月牙窪磨損為主要失效原因，這是因為加工中沒有切削液，刀具和切屑接觸區域的温度升高所致。因此，通常應使刀具有大的前角和刃傾角，但前角增大後，刀刃強度會受影響，此時應配以適宜的負倒稜或前刀面加強單元，這樣使刀尖和刃口會有足夠體積的材料和較合理的方式承受切削熱和切削力，同時減輕了衝擊和月牙窪擴展對刀具的不利影響，使刀尖和刃口可在較長的切削時間裏保持足夠的結構強度。

國外開發了許多大前角車削刀片(如美國Carboloy公司推出的一種ME-13新型硬質合金刀片上的前角達34°)和帶正前角的螺旋形刀刃銑削刀片(這種刀片沿切削刃幾乎有恆定不變的前角，背前角或側前角可由負變正或由小變大)，旨在減少機牀的驅動功率，並通過減小切削力，降低切削温度來滿足幹切削時對刀具的要求。

日本三菱金屬公司開發出一種適用於幹切削的“迴轉型車刀”，該刀具採用圓形超硬刀片，刀片的支持部分裝有軸承，在加工中刀片能自動迴轉，使切削刃始終保持鋒利，具有工效高、加工質量好、刀具壽命長等特點。

還有一種熱管式刀具也可以獲得較理想的幹切削效果。它們的結構與普通車刀基本相同，所不同的是在刀杆體內部製成了熱管。熱管內的工作介質一般為丙酮、乙醇和蒸餾水三種。熱管是一種高效的傳熱元件，它利用的是沸騰吸熱和冷凝放熱這兩個最強的傳熱機理，熱管的熱導率是相當的銀、銅棒的幾百倍。熱管刀具是一種自冷卻刀具，故無需再從外部澆注切削液，尤其適合於在數控機牀、加工中心和自動生產線上應用 ^[1]  。

乾式切削在齒輪加工中的作用，關鍵在於找到一種代替冷卻和潤滑的方法。比較成功的乾式切削法有兩種：高速乾式切削和低温冷風切削。

該加工方法是在無冷卻、潤滑油劑的作用下，採用很高的切削速度進行切削加工。乾式切削必須選用適當的切削條件。首先，採用很高的切削速度，儘量縮短刀具與工件間的接觸時間，再用壓縮空氣或其他類似的方法移去切屑，以控制工作區域的温度。隨着數控技術的廣泛使用，機牀剛性和動態性能不斷提高，提高機牀的切削速度並非難事。實踐證明，當切削參數設置正確時，切削產生的熱量80%可被切屑帶走。

高速乾式切削法有如下優點：首先，由於它省去了油屑分離過程，無冷卻潤滑油箱和油屑分離裝置以及相應的電氣設備，因此，機牀結構緊湊。其次，這種方法極大地改善了加工環境；加工費用也大大降低。為進一步延長刀具壽命、提高工件質量，可在齒輪乾式切削過程中，每小時使用10～1000ml潤滑油進行微量潤滑。這種方法產生的切屑可以認為是幹切屑，工件的精度、表面質量和內應力不受微量潤滑油的負面影響，還可以用自動控制設備進行過程監測。

高速乾式切削法對刀具有嚴格的要求：①刀具應具有優異的耐高温性能，可在無切削液條件下工作。新型硬質合金、聚晶陶瓷和CBN等切削材料是乾式切削刀具的首選材料；②切屑和刀具之間的摩擦係數要儘可能小(最有效的方法是刀具表面塗層)，並輔以排屑良好的刀具結構，減少熱量堆積；③乾式切削刀具還應具有比濕式切削刀具更高的強度和抗衝擊韌性。

該切削方法是一種用-10～-100℃的冷風和非常微量的植物油代替冷卻和潤滑油劑冷卻的加工方法。它由日本明治大學的橫川和彥等最先提出。研究發現，在金屬切削加工過程中，如果只給加工點提供非常微量、潤滑效果良好且未氧化的植物油，加工點就會因高温而喪失潤滑性。若給加工點提供冷風(-10～- 100℃)，就可以防止加工點的高温化，避免上述情況發生。

冷風切削時切削性能大大提高。試驗表明，冷風切削、磨削在性能方面比油劑切削、磨削提高了2倍以上。有、無植物油切削劑與冷風時的切削性能對比情況。可以看出，僅使用冷風切削就比使用植物的效果好，而冷風與微量植物油一起使用時，刀具的切削性能進一步加強。試驗時的切削條件：工件直徑：f92～f98mm，切削速度：45.1～48.0m/min，進給：0.5mm，切削刀具：刀尖半徑R0.4，相當於SKH4高速鋼，不重磨刀片。

新的硬質合金塗層方法和數控機牀的使用，使圓柱齒輪製造出現新趨勢：無冷卻的硬質合金刀具高速切削。若工藝參數按最佳設置，可使加工時間短，刀具壽命更長。日本三菱公司、美國格里森公司等都在這方面開展了卓有成效的研究。

日本三菱公司推出了世界上第一套乾式滾切系統。它採用的切削速度是傳統滾切速度的)倍，可達到200m/min。乾式滾切對滾刀有特殊的要求，三菱公司設計的專用乾式滾刀，採用MACH7高速鋼，表面塗有專用塗層，有助於散熱並減少刀具損耗，其壽命可延長到一般濕切方式的5倍。這一系統在加工汽車末級傳動齒輪、大型載重齒輪、汽車小齒輪及行星齒輪時效果都很理想，生產成本至少降低40%。

美國格里森公司用硬質合金滾刀在Phoenix機牀上用乾式切削法加工錐齒輪，與傳統的高速鋼刀具濕式切削法相比，降低切削時間為50%，而且齒輪的表面粗糙度顯著降低和幾何精度也大大提高，加工精度可達AGMA12～13級。該公司生產的GP系列滾齒機，以其獨特的設計，使其幹切質量能與濕切質量媲美。其牀身設計成大角度斜坡，以利切屑流動。牀身內部循環冷卻，以利於維持熱平衡。此外，機牀還配有一套真空除屑除塵系統。這一系列滾齒機，滾切轉速可達3000r/min。

美國費特公司(LMT-Fette)用硬質合金刀具乾式滾切齒輪，使齒輪單件加工時間和成本明顯降低。日本堅藤鐵工所開發的KC250H型乾式滾齒機，採用硬質合金滾刀、冷風冷卻、微量潤滑，進行高速滾齒，由於供給的是温度穩定的冷風，工件的熱變形極小。它與傳統的採用高速鋼滾刀KA220型濕式滾齒機相比，加工速度提高了3.2倍，齒輪精度也明顯提高 ^[1]  。

乾式切削技術是為適應全球日益高漲的環保要求和可持續發展戰略而發展起來的一項綠色切削加工技術。1995年幹切削的科學意義被正式確立，1997年的國際生產工程研究會(CIRP)年會上，德國Aachen工業大學的F.Klocke教授作了“幹切削”的主題報告;1999年1月在美國國家科學基金“設計與製造學科”受資助者會議上，國際著名的刀具製造廠MAPAL公司的總裁B.P.Erdel博士也作了有關美國幹切削髮展的主題報告，幹切削技術已經在各國工業界和學術界引起廣泛的關注。包括歐洲、美國和日本等工業發達國家，非常重視幹切削的研究，幹切削技術已經成功應用到了生產領域，這與這些國家的工業基礎雄厚和環保法規特別嚴格有一定的關係。其中德國企業尤為普遍，在大批量生產中，已有10%-15%的加工採用幹切削技術，並且取得了良好的經濟效益，世界許多知名的機牀廠商在他們的產品目錄中都有幹切削機牀加工中心。日本在幹切削方面也進行了大量研究，最近他們已開發成功幾種不使用切削液的乾式加工中心。在其中的一種機牀上，裝有液氮冷卻的幹切削系統，從空氣中提取高純度氮氣。在常温下以5-6個大氣壓的壓力將液氮送往切削區，可順利實現幹切削。

我國幹切削技術的研究也已起步。成都工具研究所、山東工業大學和清華大學等單位對超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、金剛石等)及刀具塗層技術進行過系統的研究，並取得了不少的研究成果。我國陶瓷刀具已形成了一定的生產能力，這些都為幹切削技術的研究與應用提供了初步的技術基礎。北京機牀研究所開發成功的KT系列加工中心能實現高速幹切削。但總的來説，我國在幹切削理論研究方面和國外還存在較大的差距，在工業中的應用規模更小，有待於我們今後加快研究與推廣應用。

ISO和JIS14000系列標準分別於1996年制定生效，這些標準對環境管理及監測有嚴格的規定。它們的實施，無疑是對我國機牀產品出口的又一次挑戰。為提高我國產品的技術含量和工藝創新能力，在國際市場競爭中立於不敗之地，開展乾式切削加工技術的研究和開發是十分必要和迫切的。

乾式加工與濕式加工相比，不但提高了生產效率，降低了生產成本，而且有利於環保，是一種理想的、清潔的金屬切削加工方法。幹切削技術從出現到現在不到十年的歷史，它是一種新興的綠色製造技術。二十一世紀的製造業對綠色環保的要求越來越高，幹切削技術作為一種綠色製造工藝對於節省資源、保護環境和降低成本具有重要意義。隨着機牀技術和各種超硬耐高温刀具材料及其塗層技術的迅猛發展以及相關工藝研究的深入，幹切削技術必將在金屬切削領域得到廣泛的應用 ^[1]  。