切削加工应用综述

切削加工应用综述

作者：伍建川李航

来源：《山东工业技术》2015年第19期

摘要：切削加工在机械制造中占有很重要的地位，随着科技的日益进步，人们需求的提高，对切削加工也提出了更高的要求。本文对传统切削、干式切削和半干式切削进行分析比较，并作出相应的总结展望。

关键词：切削加工；传统切削；干式切削；半干式切削

0 前言

现代制造技术是一个国家制造业水平高低的主要标志，直接影响着国家工业的发展[1]。切削加工在机械制造技术中占据重要地位，占机械加工量的90%以上[2]，它是汽车工业、航空航天工业、能源工业和新兴的模具工业、电子工业等部门迅速发展的重要因素。切削加工是指用刀具从工件上切除多余材料，从而获得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件的加工过程。从有切削加工以来，切削液已广泛应用于金属切削刀具寿命的延长，表面加工质量的提高，在获得卓越的性能时，切削液所涉及的一些重要的问题也限制了其应用[3]。当前的切削加工按切削液的使用情况可分为三类：传统切削、干式切削、半干式切削。本文通过对以上三类切削加工进行的介绍，分析优缺点，使读者对切削加工有更加深入的了解，为操作者提供选择使用何种切削加工的参考。

1 传统切削

传统的切削在此指使用切削液的切削加工，也叫湿切削加工。自从切削加工问世以来，人们就知道用切削液可以提高加工效率，其技术现已十分成熟。切削液一般以液体的形式浇注在切削区内，它一方面能在切削过程中带走热量，冷却工件和刀具；另一方面切削液使刀具与工件间的摩擦减小，从而摩擦产生的热量减少；另外，切削液还具有排屑与清洗、防锈等作用。利用切削液还可以减少粘结及刀具磨损量，防止划伤已加工表面和机床导轨面 [4]。

但是传统的切削技术也有很大的弊端，传统切削的切削液浇注方式使得刀刃与工件、刀刃与切屑的结合部由于膜态沸腾的原因并没有得到很好的冷却和润滑，而只是冷却了刀体和工件的表面[5]；使用切削液对环境有很大的污染；各种类型的切削液都会含有除基础油以外的各种添加剂，工人在操作时容易接触切削液，引起皮肤伤害；而且切削液的存放困难，需要避光、避热、避潮室内存放，理想存放温度为4℃～30℃。这都无形中产生了很高的成本费用，和绿色的机械制造理念不相符合。

2 干切削

干切削一般是指在无冷却、润滑油剂的作用下的高速切削。高速切削是20世纪90年代迅速走向实际应用的一项新加工技术，包括高速硬切削、高速软切削以及大进给软切削[6]。在高速切削条件下，95%—98%切削热被切屑带走，切削力也可降低30%。

高速干式切削对刀具的要求严格：刀具需要很好的耐高温性能，可在无切削液条件下工作；切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小（最有效的方法是刀具表面涂层），并辅以排屑良好的刀具结构，减少热量堆积；切削刀具还需要更高的强度和抗冲击韧性[7]。目前，国外的工业发达国家非常重视高速干切削研究，干切削技术已经成功应用到了生产领域，并获得了良好经济效益[8]。使用高速切削，在表面形成的残余压应力低于正常的铣削速度，在表面的残余应力梯度较小和应力分布更合理。应用高速铣削方法加工钛合金获得的工件表面质量能达到通过研磨得到的表面质量的水平，具有较低的应力，表面粗糙度低，较低的冷作硬化深度[9]。

当然，高速切削加工也有其自身的局限性：在切削加工一些难加工材料时，切削速度的提高仍会受到刀具急剧磨损的限制；同时切屑因较高的热塑性而难以折断和控制，切屑的收集和排除较为困难[10]；高速切削因为切削力增大，切削温度上升，切削振动增强，影响机床加工性能，降低了加工质量。另外高速切削所使用的刀具材料价格非常贵，像铣削这类回转刀具及主轴还需要动平衡；刀具夹持必须安全可靠；所使用的高速加工机床及其控制系统价格昂贵，这些都使得高速切削的成本加大[8]。

3 半干式切削

半干式切削法是介于干式切削和湿切削之间的一种切削方式，它综合了干式切削和湿切削的优点，在保证加工效果的前提下，尽可能的使用最小量的切削液，尽可能对环境的污染程度影响最小[11]。它是利用气体加微量无害油剂代替切削液的降温、润滑、排屑的一种切削方式，常见的有MQL（微量润滑）切削、氮气流切削、超低温冷却切削和低温冷风切削。

3.1 MQL（微量润滑）切削

MQL切削是早就在国外应用广泛的半干式切削方法，是利用常温压缩空气中混入微量的无公害油雾替代大量切削液来进行冷却、润滑和排屑。采用MQL时的切削摩擦系数与使用水溶性切削液和干切削时的摩擦系数相比要低得多，所以即便是提供非常微量的油剂也能获得润滑作用[12]。

MQL切削技术明显优于干式切削，其切削力由于切削温度的降低而减小[13]，能获得相当小的表面粗糙度和毛刺尺寸[14]，同时因其使用环保型切削液，降低了对工作人员的危害。MQL发展很快，在很多国家都使用普遍，但是，有助于大量降低切削废弃物的MQL技术还无法被人们清晰认识，在技术上更是问题重重，如需要控制氧气浓度，以免有氧化物的产生，使得切削温度升高。

3.2 氮气流切削

氮气流切削是指把空气中的O2、CO2和H2O排出，提取到比较纯净的氮气，用氮气代替切削液，达到降低温升的目的，并能够解决金属材料的氧化问题。氮气流切削冷却剂的来源丰富，并不会污染环境，但是由于只有氮气作为冷却剂，其冷却效果不太明显，对于此项技术国内外的研究都较少，国内更是几乎没有使用。

3.3 超低温冷风切削

超低温冷风切削在特定的压力作用下，将-180℃的液氮，或是-76℃的CO2液体喷入切削点，替换掉使用切削液的切削方式。超低温冷风切削与氮气流切削的不同之处在于使用了低温氮气作为冷却剂，能够达到较好的冷却效果，但该方法技术难度大、成本高，故发展缓慢，无法广泛用于生产实际。

3.4 低温冷风切削

低温冷风切削技术的工作思路，就是将压缩空气在特定压力下通过不同类型的制冷设备，直接用喷管喷射于刀具前后切削刃，使刀具切削刃得到迅速冷却，从而能够达到降温、减小切削力和使切屑迅速脱离工件的效果[15]。将压缩空气降温到-20℃～-30℃，并混入微量植物油润滑剂的切削方式与MQL切削不同之处在于低温冷风切削使切削点低温化[16]。

低温冷风切削技术是最为实用，也最适合我国国情一种切削加工技术。它的优点如下：加工效率提高了几倍，低温冷风车削、磨削效率被证实有所提高，低温冷风钻削的效率甚至提高了甚20倍左右；基本上不产生污染，改善了加工条件；省去了切削剂采购费，使得生产成本降低；切屑不用处理便可回收，使经济效益增加；对自动加工、检测和监控也非常有利；加工温度对工件尺寸影响很小，质量稳定；刀具寿命延长数倍，降低了刀具成本、缩短了机床准备时间；特别对于钛、镁、镍铬合金等难切削材料的加工用处极大[17]。

4 结语

目前，发展先进制造技术的重要性毋庸置疑，我国国情使得我们尤为要意识到其紧迫感，经过对三种类型的切削技术的简单对比，得出如下结论：

（1）由于现在的环保意识越来越强，国际上对环境污染的惩罚力度加大，传统的切削技术由于使用切削液污染环境和成本增加等原因，不符合绿色制造加工概念，被越来越多的国家摒弃。

（2）高速干式切削加工技术在国外的应用十分普遍，但在国内由于条件限制，刀具材料问题难以克服，其发展研究仍存在困难。