1.引言
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(diǎn)和熱點(diǎn)。迄今，大多數(shù)金屬切削加工仍是以使用切削液的濕式加工方式來進(jìn)行。切削液具有冷卻、潤滑、排屑、清洗、防銹等功能，并對延長刀具使用壽命、保證加工表面質(zhì)量起著重要作用。但是，在切削過程中使用切削液，一方面造成了資源和能源的巨大浪費(fèi)（據(jù)德國公司的統(tǒng)計資料，切削液使用費(fèi)用占總制造成本的16%，而切削刀具費(fèi)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】�。隨著全球環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強(qiáng)和環(huán)境保護(hù)立法的日益嚴(yán)格，對環(huán)境無污染的“綠色制造”被認(rèn)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(dá)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(jī)械加工中，為保護(hù)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(jìn)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(yuǎn)離機(jī)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。
2.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(jī)床的主體結(jié)構(gòu)中排出，同樣會使機(jī)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?fù)p害操作工人的身體健康，同時細(xì)微顆粒也會侵入絲杠、軸承等機(jī)床關(guān)鍵部件，加大機(jī)床的磨損，影響機(jī)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(jī)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(dá)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(jī)床、刀具、工件以及切削參數(shù)在內(nèi)的整個工藝系統(tǒng)進(jìn)行全面的考慮權(quán)衡，并采取相應(yīng)的工藝措施，以彌補(bǔ)高速干式切削加工的不足。
2.1 高速干式切削加工機(jī)床技術(shù)
由于高速干式切削加工機(jī)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(jī)床的隔熱性能、排屑速度、洗塵效果和機(jī)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(jī)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(jī)床的熱變形明顯增大，因此選用的機(jī)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(rèn)為是“21世紀(jì)的新式數(shù)控機(jī)床”、“機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大技術(shù)革命”的虛擬軸機(jī)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(diǎn)之一是要在切屑中的大部分熱量傳入機(jī)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(jī)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(jī)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?
機(jī)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(jī)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(jī)床的熱穩(wěn)定性。
采取適當(dāng)?shù)母魺岽胧�，如排屑槽用絕熱材料制造，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(jī)床的熱量。
2.2 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(xì)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(xì)化后的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有很好的硬度、耐磨性、韌性和耐熱性。普通硬質(zhì)合金的平均晶粒尺寸約為2～3μm，細(xì)化晶粒的尺寸約為1～2μm，超細(xì)晶粒尺寸則在0.5μm以下。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金適用于需要大前角的加工場合，可用于制造高速干式切削中使用的鉆頭、深孔鉆等。立方氮化硼（CBN）材料的硬度高達(dá)3200～4000HV，具有很高的耐熱性和抗化學(xué)腐蝕性，在1200℃～1300℃的高溫下仍不會與鐵族材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，非常適合對鑄鐵和淬硬鋼等進(jìn)行高速干式切削。聚晶金剛石（PCD）材料的硬度約為CBN的2倍，是最硬、最耐磨的刀具材料，其導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)也很小，特別適合對各種銅鋁合金、非金屬材料和復(fù)合材料進(jìn)行高速干式切削加工。PCD涂層刀具在高速干式切削加工鋁合金工件時可獲得良好效果。用CVD（化學(xué)沉積）工藝生產(chǎn)的金剛石涂層刀片適用于銑削加工鋁合金。在Al2O3陶瓷基體中添加20%～30%的SiC晶須即可制成晶須增韌陶瓷材料，SiC晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋，它能成為阻擋或改變裂紋擴(kuò)展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高，是一種很有發(fā)展前途的刀具材料。
(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(jìn)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，其中，TiC涂層刀具抗后刀面磨損能力很強(qiáng)；TiN涂層刀具則有較理想的抗月牙洼磨損能力。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(diǎn)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。例如，瑞士開發(fā)的“MOVIC”軟涂層技術(shù)在刀具表面涂覆一層MoS2。切削實驗表明，在Si含量為9%的鋁合金工件上進(jìn)行干式攻絲加工時，普通絲錐只能加工20個孔，TiAlN涂層絲錐可以加工1000個孔，而MOVIC涂層絲錐可以加工4000個孔。TiAlN是高速干式切削常用的涂層材料，它與基于MoS2的“MOVIC”軟涂層結(jié)合使用時，可獲得更好的加工效果。
(3)優(yōu)化刀具幾何形狀
針對高速干式切削加工的特點(diǎn)，需要對高速干式切削加工刀具的幾何形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(xì)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(qiáng)度來保持刃口的鋒銳性，達(dá)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(jìn)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。例如，德國WZL的切削試驗表明，在用硬質(zhì)合金鉆頭干式鉆削回火鋼時（孔深30mm，孔徑11.8mm，進(jìn)給速度vc=80m/min，每次進(jìn)給量f=0.2mm），標(biāo)準(zhǔn)鉆頭只能鉆削約400個孔，而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計、加寬了鉆頭排屑槽幾何形狀的鉆頭可鉆削高達(dá)2200個孔，優(yōu)勢明顯。
2.3 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。
2.4 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(jìn)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(jìn)行高速干式切削時，由于該材料的抗拉強(qiáng)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(jìn)行預(yù)熱，使工件材料局部軟化（抗拉強(qiáng)度由750N/mm降至400N/mm），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(jìn)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(jìn)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(jī)床，而且需求量還在迅速增長。
3.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(jī)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(jìn)一步擴(kuò)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。
例如，德國格林公司用鈦基硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行高速干式鉆孔時，切削速度高于200m/min，鉆頭裝夾的同軸度小于0.01mm。該公司采用Ti（C，N）基硬質(zhì)合金鉸刀鉸孔時，與使用刃口鋒利的未涂層細(xì)晶粒硬質(zhì)合金鉸刀相比，鉸孔表面光潔度更高，刀具壽命更長。Emuge UK公司開發(fā)出了用于高速干式切削的螺紋刀具。用該刀具加工低碳結(jié)構(gòu)鋼時，以15m/min的切削速度干加工1000個螺孔，絲錐未發(fā)生明顯磨損；加工工具鋼時，將切削速度降至10m/min，也能達(dá)到同樣的刀具壽命；以5m/min的切削速度在含鉻量10%的鎳基合金不銹鋼工件上攻螺紋時，可加工1000個螺孔；以20m/min的切削速度在HT300鑄件上攻螺紋時，加工超過4000個螺孔，絲錐仍未出現(xiàn)明顯磨損。據(jù)報道，美國Leistritz Carp.生產(chǎn)的新型PW系列CNC旋風(fēng)機(jī)床具有多個滑動刀架，能完成車削和旋風(fēng)銑削復(fù)合加工。該機(jī)床在一次安裝工件后，可對螺紋或螺旋形工件進(jìn)行多工序的干式切削加工。該公司還開發(fā)出用CBN刀具在硬度高達(dá)62HRC的硬材料上旋風(fēng)干銑削精密螺紋的新工藝。美國生產(chǎn)的LC82型CNC干式切削滾齒機(jī)，工作臺轉(zhuǎn)速可達(dá)250r/min，在重切削范圍內(nèi)，滾刀轉(zhuǎn)速為2000r/min，驅(qū)動功率為7.5kW。Ford公司用硬質(zhì)合金滾刀進(jìn)行干式滾齒，加工成本可下降44%，且滾刀壽命比高速鋼滾刀濕式切削提高6倍（由原來加工39000個齒輪提高到252000個）。采用細(xì)晶粒TiN、Ti（C，N）或（Ti，Al）N涂層的硬質(zhì)合金滾刀干式滾齒時，切削速度可達(dá)350～400m/min。使用TiN涂層的高速鋼圓拉刀干式拉削42CrMo4V合金鋼時，拉刀壽命可比未涂層拉刀濕式拉削時提高3倍。
此外，高速干式切削加工在銑削中的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛。例如：上海某汽車零部件加工企業(yè)在加工上海通用汽車公司別克轎車的排氣管時，采用SECO公司的Tl50M黑色涂層硬質(zhì)合金刀片干式銑削鑄鐵排氣管端面（刀盤型號R220-43-0088-5，88mm，z=5；刀片型號OFET070405TN-16；刀片涂層等級T150M；切削參數(shù)：n=1100r/min，i=1～1.2mm，vf=600mm/min），每個切削刃的切削壽命超過100件，與原來采用的另一公司的四方形陶瓷刀片相比，生產(chǎn)效率明顯提高，且所用八角形硬質(zhì)合金刀片有8個刃口，比陶瓷刀片的刃口數(shù)增加1倍，價格也更便宜，加工經(jīng)濟(jì)性顯著改善。再如，SECO公司開發(fā)的整體結(jié)構(gòu)PCBN牌號系列中的CBN300刀片已成功運(yùn)用于上海通用汽車公司新建成的發(fā)動機(jī)柔性生產(chǎn)線上，用于干式銑削灰口鑄鐵缸體平面（刀盤型號822033-0100-12CT，z=8；刀片型號SNMN090312S；切削參數(shù)：ae=80mm，ap=4～5mm，f=0.15mm，vc=1600m/min）。該刀片加工時表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能，銑削速度可達(dá)1600m/min，每個切削刃的工作壽命為170件，刀具壽命為普通PCBN刀片的4倍，與陶瓷刀片相比可提高50倍，大大提高了發(fā)動機(jī)的加工效率。
4.前景展望
高速干式切削加工技術(shù)是對傳統(tǒng)的高速濕式切削生產(chǎn)方式的一種革命性變革，是一種理想的“綠色制造”工藝方法，是對傳統(tǒng)制造觀念和生產(chǎn)方式的一種挑戰(zhàn)，它的推廣應(yīng)用將在機(jī)械制造行業(yè)引起廣泛而深遠(yuǎn)的影響。國外對高速干式切削加工技術(shù)的研究已相當(dāng)深入，且應(yīng)用范圍也比較廣泛。我國對此項技術(shù)的研究及開發(fā)還處于起步階段，與國外相比有不小差距，在實際應(yīng)用中也遇到許多困難和障礙，涉及到觀念更新和技術(shù)攻關(guān)兩個方面，需要進(jìn)行長期不懈的努力。但是，高速干式切削加工代替高速濕式加工是機(jī)械制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢，相信隨著高速干式切削加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和不斷成熟，它必將展現(xiàn)出廣闊而美好的發(fā)展前景。
