干式切削技術(shù)的影響因素研究

宋胄

摘 要：干式切削技術(shù)作為一種新的加工方式，現(xiàn)已被許多工業(yè)部門所應用。本文首先介紹了干式切削技術(shù)的特點，然后分析了干式切削技術(shù)的形式，最后總結(jié)了影響干式切削實現(xiàn)的關(guān)鍵因素，以期為干式切削技術(shù)的應用提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞：干式切削;綠色制造;切削液

中圖分類號：TG506文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）07-0047-03

Abstract： As a new processing method， dry cutting technology has been applied in many industrial departments. This paper first introduced the characteristics of dry cutting technology， then analyzed the form of dry cutting technology， and finally summarized the key factors affecting the realization of dry cutting， in order to provide theoretical reference for the application of dry cutting technology.

Keywords： dry cutting;green manufacturing;cutting fluid

加工制造業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，在為我國經(jīng)濟創(chuàng)造巨大財富的同時，也對環(huán)境和能源帶來了巨大壓力。在機床加工過程中，不可避免地會用到切削液。這主要是因為切削液可以起到冷卻、潤滑、沖洗和防銹的作用。但是，切削液的主要成分為硫、苯、氯等，因此，在加工過程中，切削液揮發(fā)、飛濺及滲漏會造成工作現(xiàn)場環(huán)境惡化。隨著人們生活水平的不斷提高，低碳生活理念深入人心，綠色制造逐漸成為發(fā)展大方向。綠色制造技術(shù)是指在保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。其是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效益的現(xiàn)代化制造模式，目標是使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響（副作用）最小，資源利用率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。干式切削技術(shù)是可以滿足綠色制造要求的一個重要加工技術(shù)。因此，本文主要探討其在綠色制造中的作用。

1 干式切削技術(shù)的特點

干式切削技術(shù)是指在切削加工過程中，不使用任何液體潤滑和冷卻的加工方法，是實現(xiàn)清潔、安全、高效加工的一種新工藝。干式切削技術(shù)主要具有以下特點。

第一，有利環(huán)境保護。干式切削技術(shù)不使用切削液，加工中產(chǎn)生的切屑干凈、清潔、無污染，易于回收和處理，不僅保護了環(huán)境，而且使加工者免受健康損害。

第二，節(jié)約生產(chǎn)成本。據(jù)有關(guān)調(diào)查結(jié)果可知，傳統(tǒng)的切削加工成本中，有毒有害的切削液及含有切削液的切屑處理費用相當高，其綜合處理費用已經(jīng)達到零件制造成本的近16%。而干式切削加工技術(shù)由于不使用切削液，省去了與切削液有關(guān)的一切費用，因此，相對于傳統(tǒng)加工技術(shù)，生產(chǎn)成本大為降低。

第三，提高生產(chǎn)效率。在干式切削加工中，可以采用較大的切削深度和較高的切削速度，加工效率高，降低了能源消耗。

2 干式切削技術(shù)的形式

2.1 全干式切削

全干式切削法也稱高速干式切削法，其是在不使用切削液的情況下，采用高強度刀具、較小的吃刀量進行超高速切削，由于速度快，縮短了刀具與工件間的接觸時間，90%以上的切削熱被切屑帶走，工作區(qū)域的升溫幅度小。目前，全干式切削技術(shù)已經(jīng)在國際上得到了廣泛應用。

2.2 半干式切削

半干式切削是采用微量切削液，通過壓縮空氣霧化噴射至刀具與工件或切屑的接觸界面，從而降低加工區(qū)域溫度。與全干式切削方法相比，半干式切削對刀具的要求不高，且使用少量的切削液。據(jù)測算，半干式切削使用的切削液的量很低，僅為10～50 mL/h。由于使用切削液量少，因此，可采用環(huán)保型的切削液，也可使用植物油，對環(huán)境的影響極小。目前，半干式切削主要用于加工孔類零件。

2.3 低溫冷風切削

低溫冷風切削是一種用-30～-20 ℃的冷風和非常微量的植物油進行冷卻和潤滑的加工方法，由日本明治大學的橫川和彥等最先提出。試驗表明，低溫冷風切削在性能方面比使用切削液切削提高了2倍以上。運用低溫冷風切削時可使用微量植物油劑，不但降低了切削能耗，而且還消除了工件銹蝕現(xiàn)象，大大提高了切削性能。

2.4 強冷風切削

強冷風切削主要是將空氣壓縮并冷卻至-110 ℃，噴射到加工區(qū)域，代替切削液，起到潤滑和冷卻作用。使用這種方法時，低溫空氣可以迅速帶走熱量，而用噴嘴噴射，又可以吹走切屑，因此，加工區(qū)域溫度升高不明顯，也未產(chǎn)生熱量，工件變形小，加工精度高。目前，強冷風切削主要用于磨削。

3 干式切削技術(shù)的關(guān)鍵因素

由于在干式切削加工中不使用切削液，缺少了切削液的冷卻和潤滑，使刀具與加工材料之間的摩擦增大，溫度升高，從而造成刀具壽命縮短、加工精度和切削效率下降，影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。為了解決冷卻、摩擦、排屑等問題，需要開發(fā)和應用耐熱的刀具材料及涂層，設(shè)計合適的刀具幾何形狀，采用適合干式切削的機床，選擇相應的切削參數(shù)。可見，影響干式切削技術(shù)的三個關(guān)鍵因素是刀具、機床和切削參數(shù)。

3.1 刀具

由于干式切削加工與傳統(tǒng)使用切削液進行加工的條件不同，其面臨著高溫、磨損加劇的狀況，因此要求刀具材料具有較高的耐熱性和耐磨性，以及更高的強度和耐沖擊性等。

3.1.1 新式刀具材料。目前，適用于干式切削的刀具材料主要有金屬陶瓷、聚晶金剛石和立方氮化硼等材料。這些材料的主要特點是耐高溫，而且高溫下仍然具有較大的硬度。

金屬陶瓷是硬質(zhì)合金的一種形式，它含有堅硬的鈦基化合物（碳化鈦、碳氮化鈦和氮化鈦）、黏結(jié)劑是鎳或鎳鉬。與常規(guī)硬質(zhì)合金刀具相比，金屬陶瓷刀具能承受更高的切削溫度，加工的工件表面質(zhì)量也比較好。

聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond，PCD）是目前世界上人造物質(zhì)中最硬的材料，也是最耐磨的，用其制作的刀具可以加工硬度非常高的材料。但是，由于PCD的主要化學成分為碳，其與鐵元素的親和力非常好，因此不能用于加工黑色金屬。另外，PCD不耐高溫，用其制作的刀具主要用來加工有色金屬。

立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）是一種非常硬的刀具材料，硬度僅次于金剛石。但是不同于聚晶金剛石，其非常耐高溫，高溫硬度高達2 000 ℃，而且具有較高的沖擊強度和抗破碎性能，比較適合加工淬硬金屬。

3.1.2 涂層技術(shù)。所謂涂層技術(shù)就是在刀具的刀體上涂上一層或多層不同性質(zhì)的材料，從而具有對刀具整體性能的加強和提高作用。在金屬切削加工過程中，刀具涂層技術(shù)應用非常廣泛，常見的數(shù)控刀具幾乎都有涂層。由于涂層材料具有一些特殊性能，如高溫下化學穩(wěn)定性好、耐高溫，因此能降低加工時刀具與工件的所產(chǎn)生的摩擦力。涂層的材料種類繁多，但是常見的主要有兩種，即PVD和CVD。PVD是指以氮化鈦為主要材料的涂層，應用比較廣泛，目前在所有涂層刀具中占有80%。PVD涂層比較薄，一般以硬質(zhì)合金作為基體材料。CVD是指以氧化鋁為主要材料的涂層，主要用于黑色金屬的加工。

3.1.3 刀具的結(jié)構(gòu)。除了刀具材料之外，由于加工環(huán)境發(fā)生了變化，干式切削刀具的結(jié)構(gòu)也不同以往。干式切削刀具的正前角、后角刀尖圓弧半徑數(shù)值比普通刀具要大，這樣可以減小加工切削力，降低刀具的壓力，從而保證在沒有切削液的情況下迅速地排出切屑，降低加工中產(chǎn)生的熱量。除此之外，刀具內(nèi)部還可以設(shè)計成空心結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示，其結(jié)構(gòu)特點是在車刀的刀體和銑刀的每個刀齒內(nèi)部制成空心的熱管并配以冷氣系統(tǒng)，加工時可把大量的切削熱量帶走。

3.2 干式切削機床

干式切削加工中，切削速度快，沒有切削液，而加工中產(chǎn)生的熱量必須要及時排走，所以干式切削加工機床的結(jié)構(gòu)布局肯定不同于傳統(tǒng)機床。研究表明，干式切削機床的布局多采用立式布局，工件在上、刀具在下，這樣設(shè)計可以盡可能地依靠重力排屑。機床的底座采用熱對稱結(jié)構(gòu)并由熱膨脹系數(shù)小的材料制成，同時配備高速主軸和循環(huán)冷卻系統(tǒng)。除此之外，干式切削機床還有一些特殊的設(shè)計，如機床床身的蓋板采用雙層壁結(jié)構(gòu)，這樣可以避免切屑的溫度影響機床的本體等。

3.2.1 電主軸。高速主軸是干式切削機床的重要組成部分，一般采用電主軸的形式。電主軸的主要結(jié)構(gòu)特點是機床的主軸即為內(nèi)部的電動機主軸，電動機直接驅(qū)動主軸。其主要由無殼電機、主軸單元殼體、軸承、驅(qū)動模塊及冷卻裝置和主軸等部件組成，工作原理與電動機的工作原理相同，即通過調(diào)節(jié)電動機中的定子繞組加載的電流或者電壓的變化來驅(qū)動轉(zhuǎn)子，從而獲得不同的轉(zhuǎn)速。這種主軸設(shè)計不僅簡化了機床的傳動與結(jié)構(gòu)，而且還提高了機床的動態(tài)靈敏度、加工精度和工作可靠性。目前的電主軸轉(zhuǎn)速一般在10 000～20 000 r/min。

3.2.2 循環(huán)冷卻系統(tǒng)。循環(huán)冷卻系統(tǒng)是干式切削機床的重要組成部分。通過循環(huán)冷卻系統(tǒng)，可以降低加工區(qū)的溫度，提高機床工藝系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。循環(huán)冷卻系統(tǒng)的工作原理是通過溫度傳感器，監(jiān)控加工區(qū)域溫度的變化情況，適時啟動，降低機床整體溫度。

3.2.3 機床的床身。干式切削加工機床對床身性能要求非常高，床身材料應具有較高的剛度、強度，同時具有良好的抗振性。傳統(tǒng)的機床床身所使用的鑄鐵材料已經(jīng)不能適應干式切削加工。近年來，出現(xiàn)了很多新型材料，其中使用較廣泛的是人造花崗巖。這種材料的阻尼特性比鑄鐵高7～10倍，而比重只有鑄鐵的1/33.4。

3.2.4 機床的導軌。干式切削機床的導軌與傳統(tǒng)的數(shù)控機床一樣，多采用直線滾動導軌，同時進給電機與絲杠直接相連，簡化了傳動鏈;另外，還安裝消隙裝置，消除間隙。除此之外，干式切削機床的導軌還采用一些特有形式，如三角組合導軌形式，如圖3所示，通過在兩根導軌中間安裝第三根導軌來消除運動部件在床身上的翹起和扭曲，并采用三個導軌滑塊，提高導軌的承載能力和剛性，確保加工穩(wěn)定性。

3.3 切削參數(shù)

由于干式切削加工無切削液，且加工環(huán)境溫度高，因此，切削參數(shù)選擇的一般原則是：較高的切削速度、中等的進給量和較大的切削深度。但需要注意的是，仍需要根據(jù)刀具材料、加工材料特點及工藝環(huán)境等多重因素結(jié)合來考慮。

4 結(jié)語

隨著人們環(huán)保意識的增強，以及干式切削加工中技術(shù)問題（如機床、刀具等）不斷得以解決，其應用范圍越來越廣。實踐證明，干式切削技術(shù)在節(jié)省資源和能源、減少對環(huán)境的污染、降低制造成本等方面具有明顯的優(yōu)勢，是一種清潔制造技術(shù)，符合綠色制造的要求。但是干式切削加工技術(shù)對刀具和機床的要求較高，增加了加工成本，推廣受到了限制。因此，當前出現(xiàn)了一些改良的干切削式加工技術(shù)，比如，采用綠色切削液的加工技術(shù)、使用微量切削液的準干式加工技術(shù)、低溫氣體冷卻加工技術(shù)等。相信隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，以干式切削加工技術(shù)為代表的綠色制造必將會有更大范圍的應用，必將展現(xiàn)出廣闊而美好的發(fā)展前景。

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