干切削加工關(guān)鍵技術(shù)的研究

柳 青

（岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南岳陽414000）

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)加工方法上涌現(xiàn)了許多新工藝和新技術(shù)。隨著綠色制造、清潔制造等生產(chǎn)理念的成熟，人們?cè)絹碓角逍训匾庾R(shí)到，切削液大量使用所帶來負(fù)面影響：

一是零件生產(chǎn)成本大幅度提高，有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，零件加工總成本中，切削液費(fèi)用約占16%，而刀具費(fèi)用僅占4%；

二是造成對(duì)環(huán)境嚴(yán)重污染，破壞生態(tài)環(huán)境，不利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施；

三是直接危害車間工人身體健康。

環(huán)境問題和資源問題，是當(dāng)前以至今后人類社會(huì)面臨主要問題。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，使制造企業(yè)取得經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化，研究實(shí)現(xiàn)綠色制造，對(duì)指導(dǎo)業(yè)界生產(chǎn)具有十分重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 干切削技術(shù)的內(nèi)涵

干切削技術(shù)，通常都指不使用切削液來進(jìn)行切削加工的技術(shù)方法，相對(duì)傳統(tǒng)使用切削液加工（濕加工）方法而言，今天更應(yīng)該從廣義上來理解干切削技術(shù)：

只要加工過程不使用切削液或使用微量切削液，加工出工件形成切屑干燥、“干凈”（清潔）且能保證加工質(zhì)量方法，就可歸結(jié)為干切削技術(shù)范疇。如采用最小量潤滑技術(shù)（Minimal Quantity Lubrication，MQL）法加工時(shí)，工件切屑可保持干燥，過去文獻(xiàn)稱之為“準(zhǔn)干切削”（Near-Dry cutting），實(shí)際上從廣義來說，可認(rèn)為其屬于干切削范疇。

干切削技術(shù)可表述為：切削過程不使用切削液或使用微量切削液，加工出工件形成切屑干燥、“干凈”（清潔）的高精度、高效率先進(jìn)加工技術(shù)。

2 干切削加工的特點(diǎn)

2.1 干切削工藝的優(yōu)點(diǎn)

由于不使用切削液，完全消除了切削液導(dǎo)致的一系列負(fù)面效應(yīng)。與濕切削相比，干切削具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）形成的切屑干凈、清潔、無污染，易于回收和處理；

（2）省去了與切削液有關(guān)的傳輸、過濾、回收等裝置及費(fèi)用，簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（3）節(jié)省了與切削液及切屑處理有關(guān)的費(fèi)用；

（4）不產(chǎn)生環(huán)境污染及與切削液有關(guān)的安全與質(zhì)量事故。

由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，干切削已成為目前清潔制造工藝研究的熱點(diǎn)之一，并在車、銑、鉆、鉸、鏜削加工中得到了成功的應(yīng)用。

2.2 干切削工藝的不足之處

和相同條件下的濕切削加工相比，干切削也有不足的地方：

（1）直接的加工能耗（加工變形能和摩擦能耗）增大，切削溫度增高；

（2）刀具、切削接觸區(qū)的摩擦狀態(tài)及磨損機(jī)理發(fā)生改變，刀具磨損加快；

（3）切屑因較高的熱塑性而難以折斷和控制，切屑的收集和排除較為困難；

（4）加工表面質(zhì)量易于惡化。

3 干切削加工的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 干切削的刀具技術(shù)

由于不使用切削液，干切削時(shí)的切削溫度比普通濕切削高很多，刀具能否承受干切削時(shí)的巨大熱能，是實(shí)現(xiàn)干切削的關(guān)鍵。這方面主要措施有：

（1）采用新型的刀具材料。干切削不僅要求刀具材料具有極高的熱硬性和熱韌性，而且還須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性。目前已發(fā)展的刀具材料主要有金剛石、立方氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷、涂層和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等。發(fā)展具有更加具有優(yōu)異高溫力學(xué)性能、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高抗熱震性的刀具材料，是推動(dòng)干切削技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用的重要前提。

（2）采用涂層技術(shù)。對(duì)刀具進(jìn)行涂層處理，是提高刀具性能的重要途徑。刀具的涂層不僅提高了刀具表面硬度，而且能降低刀具/工件和刀具/切削表面之前的摩擦，也能隔斷切削區(qū)的熱量傳入刀具（片）。目前使用的刀具中有40%是涂層刀具，新的涂層還在不斷出現(xiàn)，使用涂層刀具實(shí)現(xiàn)干切削加工的趨勢在不斷增長。近10年來，刀具涂層技術(shù)發(fā)展十分迅速，涂層材料多達(dá)數(shù)十種。涂層工藝也越來越成熟，通過多年的“技術(shù)攻關(guān)”，現(xiàn)已解決了涂層與基體材料結(jié)合強(qiáng)度低的技術(shù)難題。

（3）采用合理的刀具結(jié)構(gòu)。在干切削加工中，刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化非常重要。原有的標(biāo)準(zhǔn)刀具不能適應(yīng)干切削，為此干切削加工應(yīng)優(yōu)化刀具幾何參數(shù)，以減少加工中刀具與切屑間的摩擦和強(qiáng)化切削刃。

3.2 干切削刀具的設(shè)計(jì)方法

干切削刀具通用如下設(shè)計(jì)方法：

（1）基于自由切削的原理，設(shè)計(jì)刀具切削部分的幾何形狀，以減少由于流屑干涉引起的切削能耗；

（2）盡量增大刀具切削部分單位表面積所包含的材料體積，提高刃部和尖部的瞬間受熱能力；

（3）使刀具為負(fù)前角或使前后刀面凸起，以延緩月牙洼對(duì)刀刃的損害，這種方法在一些新型刀具上已有應(yīng)用；

（4）增大負(fù)刃傾角，改善刀刃及刀尖的切入狀態(tài)，以提高刀具抗沖擊和抗熱震能力；

（5）加大切削在前刀面斷屑臺(tái)上的變形量和增加斷屑臺(tái)的個(gè)數(shù)，以提高對(duì)強(qiáng)韌性切屑的斷屑能力。

3.3 干切削的機(jī)床技術(shù)

研制干切削加工機(jī)床，是實(shí)現(xiàn)干切削加工的重要手段。這種機(jī)床應(yīng)該剛性足、功率大，能快速有效地排屑，同時(shí)用合適的軟件系統(tǒng)，補(bǔ)償溫度對(duì)加工的影響。設(shè)計(jì)干切削機(jī)床應(yīng)要考慮的特殊問題有兩個(gè)：

（1）切削熱的迅速散發(fā)。干切削時(shí)在機(jī)床加工區(qū)產(chǎn)生的熱量較大，這些熱量如不及時(shí)從機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)排出去，就會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生嚴(yán)重的熱變形，影響工件的加工精度和機(jī)床工作的可靠性。而對(duì)于一些無法排出的熱量，相關(guān)部件應(yīng)采取隔熱措施。

（2）切削和灰塵的快速排出。切屑中帶有大量的熱量，并且落在工件上會(huì)劃傷工件，灰塵則會(huì)影響工件的加工質(zhì)量。因此，要注意干切削機(jī)床的快速排屑結(jié)構(gòu)、輔助排屑設(shè)施和提高干切削機(jī)床熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.4 干切削的工藝技術(shù)

工件材料在很大程度上決定了實(shí)施干切削的可能性。改善材料的可加工性、減少切削過程中變形和摩擦產(chǎn)生的熱量，是發(fā)展干切削的一項(xiàng)技術(shù)措施。例如，開發(fā)易切鋼和易切鑄鐵等。不同工件材料的熱學(xué)特性差別較大。干切削要求工件有較大的熱容量和較低的熱導(dǎo)率。因此，大質(zhì)量的零件比小質(zhì)量的零件更適宜于干切削。切削力大、溫度高是干切削的主要特點(diǎn)，為了減少高溫下刀具和工件之間材料的粘結(jié)和擴(kuò)散，獲得正常的刀具壽命，應(yīng)特別注意刀具材料和工件之間的合理匹配。

刀具確定以后，根據(jù)具體加工，還應(yīng)選擇合適的切削用量和其他參數(shù)。在干切削加工中，建議采用高的切削速度，因?yàn)楦叩那邢魉俣葧?huì)使切屑排除快，散熱快，對(duì)提高刀具壽命非常有利。

現(xiàn)已經(jīng)采用的干切削加工工藝有：低溫冷風(fēng)干切削技術(shù)，高速干切削技術(shù)，低溫干切削技術(shù)，靜電冷卻干切削技術(shù)，微量潤滑的準(zhǔn)干切削等。

3.5 可靠的刀具監(jiān)測裝置

干切削使刀具處于一個(gè)更加惡劣的加工環(huán)境，溫度升高，切削力增大等，同時(shí)使刀具破損、磨損失效的概率增大。因此，刀具監(jiān)測裝置，將成為干切削可靠性和安全性以及加工質(zhì)量的有利保證。目前隨著傳感器、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能在刀具監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，各種性能穩(wěn)定、可靠性高的刀具監(jiān)測裝置，都能在市場找到，選擇主要從其性能要求和經(jīng)濟(jì)角度來考慮。

4 結(jié)束語

干切削加工從根本上解決了切削液帶來弊端，極大地節(jié)約加工成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還對(duì)傳統(tǒng)濕加工生產(chǎn)方式進(jìn)行批判挑戰(zhàn)。綠色加工技術(shù)，是面向21世紀(jì)前沿制造技術(shù)。隨著機(jī)床技術(shù)和相關(guān)工藝研究的深入，干切削技術(shù)必將成為金屬切削加工的主要方向。

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