干式切削

干式与准干式切削技术

目前绝大部分的金属切削加工是以使用切削液的湿式方式进行的。切削液具有冷却、润滑、清洗和排屑等功能，对延长刀具使用寿命和保证加工质量起着重要的作用。但是近年来，随着人们对环境保护的日益重视，切削液所带来的一系列负作用已受到关注。一方面，切削液的广泛使用需消耗大量的能源和资源，增加加工成本，据德国一些公司的统计数据显示，冷却液费用占总制造成本的16%，而切削刀具消耗的费用只占成本的3%^-4%；另一方面，切削液对环境的污染较为严重，甚至危害操作人员的健康。为此，越来越多的学者开始倡导“清洁生产”的理念。

干式切削是消除切削液污染、降低产品成本、实现清洁生产的最有效途径。实现干式切削的最大技术难题是刀具，它是使干式切削加工得以顺利进行的关键因素。必须选择合理的刀具结构和刀具材料，设计合理的刀具几何参数，并采取相应的工艺措施。干式切削技术己成为金属切削加工发展的趋势之一。

（1)干式切削加工对刀具材料的要求

干式切削加工过程中，刀具要承受很大的压力，同时由于切削时产生的金属塑性变形，以及在无切削液的情况下刀具、切屑、工件相互接触表面间将产生更强烈的摩擦，使刀具切削刃上产生极高的温度并受到很大的应力作用，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损。因此，干式切削刀具必须具备以下性能：

①具有较高的耐热性和良好的耐磨性；

②具有更高的强度和耐冲击韧性；

③切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小。

目前适用于干式切削的刀具材料有超细颗粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷及金属陶瓷、CBN及PCD等。

对硬质合金刀具来说，表面涂层是提高其性能的最有效措施。涂层在切削过程中的作用如同在刀具与切屑／工件之间增加了力和热的隔离层，可有效地阻止将热量传递到刀具基体上。另外，MOS2等“软”涂层可有效降低刀具表面的摩擦系数。

近年来开发成功的纳米涂层技术，将数百层具有软、硬不同特性的涂层

复合叠加，总厚度仅为2^-5卿，既使刀具的硬度和韧性显著增加，又使其具有优异的抗摩擦、抗磨损和自润滑性能，非常适合干式切削。

(2)干式切削加工对刀具结构的要求

干式切削时，刀尖和刃口承受的热负荷大大增加，容易产生各种刃口损伤，最终导致刀具失效。为了保证工件加工质量和刀具寿命，要求刀具设计尽可能使加工产生的切削力和摩擦力要小，排屑效果要好。因此，干式切削要求必须对刀具结构和几何参数进行优化设计，如把刀具设计为负前角或使前刀面凸起，可显著延缓月牙洼对刀刃的损害；增大负刃倾角，改善刀刃及刀尖的切入状态，以提高刀具的抗冲击和抗热震能力等。

欧洲的一些刀具制造商已开发出许多有利于干式切削几何形状的刀具，可供用户选用。例如，瑞典山高(SECO )公司设计的具有ME型断屑槽的八角形铣刀片，能有效控制切屑的形成和排屑，特别适用于干式铣削。

（3）准干式切削

在有些场合（如深孔钻削、攻丝等）要实现不用切削液的完全干式切削仍是困难的，因此，完全干式切削工艺的应用范围有一定限制，这时可采用最小量润滑（Minimum Quantity Lubrication，MQL）的准干式切削方式或低温冷风切削。

最小量润滑，也称喷雾润滑，它是用压缩空气使微量的润滑液（通常为植物油）雾化，并以很高的速度喷向高温切削区，可以起到冷却、润滑和排屑的作用。MQL切削中，润滑液的用量是湿式切削的1110000，一般仅为0.03-0.2L1h，而同等用量所吸收的热量却是湿式浇注法的1000倍，因而既提高了工效，又不会对环境造成大的污染。MQL技术只要使用得当加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的处理，清洁和干净的切屑经过压缩还可以回收使用，故又称为准干式切削。

低温冷风切削是在MQL切削技术的基础上，用一10℃一一100℃的低温冷风替代常温压缩空气，并与非常微量的植物油进行混合，从而实现冷却润滑的切削方法。研究表明：在金属切削过程中，如果只给加工点提供微量、润滑效果良好且未被氧化的植物油，加工点会因高温而丧失润滑性，刀具很快就会磨损；如果只提供低温冷风，加工点的高温得到缓解，刀具磨损也会有所延缓；但如果

在提供低温冷风的同时，再加上润滑效果良好且未被氧化的微量植物油，不仅加工点的高温得到缓解，而且刀具表面的润滑也可得到保证。试验证明，采用低温冷风切削时，车刀的寿命可以延长2倍以上。

近几年来，国外对低温冷风切削技术的研究已趋成熟，一些机床生产企业已相继推出采用该技术的机床产品。例如，日本安田工业公司的加工中心采用在电动机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管的结构，使一30℃低温冷风直通刀刃，该结构大大改善了切削条件，更有利于低温冷风切削加工工艺的实施。此外，日本三井精机推出的加工中心、冈本工作机械推出的平面磨床、森精机推出的车床等，都使用了低温冷风切削技术。为了保证切屑的迅速处理，这些机床的结构都作了较大的调整。

无论是采用MQL技术还是低温冷风切削技术，目前国内还缺乏在不同的生产工艺中的全面、系统和深入的试验研究，同时也没用商品化的喷雾装置和低温冷风发生装置，但这些都不会成为MQL技术和低温冷风切削技术迅速完善和推广的障碍。相信在不远的将来，绿色切削技术会成为切削技术的主流。