干式(绿色)切削技术
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4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（4）涡流管直接制冷
1—喷嘴，2—孔板，3—涡流室，4—控制阀 图4-8 涡流管直接制冷原理
15
4.3.1 风冷却切削
冷却原理
制冷方法
低沸点液体制冷
压缩机循环制冷 空气绝热膨胀制
冷 涡流管制冷
表4-2 四种制冷方法性能的比较
装置复 杂程度
初始成本 运行成本
可控性
现代机械加工新技术
第4章干式（绿色）切削技术
4.1 概述
1
4.1 概述
概述
人们正试图少使用或不使用切削液，以适应21世纪清洁 生产和降低成本的要求。干式切削技术就是这样的实用绿色 切削技术，可以较好地解决当前的生态环境、技术与经济间 的协调与持续发展。
图4-1 干式切削
2
现代机械加工新技术
第4章干式（绿色）切削技术
21
4.3.4 用水蒸气作冷却润滑剂
uc = 230 m/min, ap = 1 mm, f = 0.15 mm/r
uc = 50 m/min, ap = 1 mm, f = 0.1 mm/r
1—干切，2—浇水，3—水蒸气
图4-10 用水蒸气作为冷却润滑剂的车刀磨损VB值
22
4.3.4 用水蒸气作冷却润滑剂
6
4.2.2 实施干式切削的必要条件
干式切削的刀具技术
（3）减少对切削液排屑作用的依赖 对于干式切削，排屑则成了要解决的主要问题。 ① 重力排屑法。 ② 虹吸原理排屑法。 ③ 利用真空或喷气系统改善排屑条件，以实现干式切削。 ④ 用复杂的刀具几何结构解决封闭空间的排屑问题。
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4.2.2 实施干式切削的必要条件
24
现代机械加工新技术
第4章干式（绿色）切削技术
4.4 干式切削技术的发 展现件
干式切削的工艺技术
表4-1 可实施干式切削的工件材料与加工方法的组合
工件材料
铸铁 钢
铝合金 复合材料 高硬材料
车削 ×
铣削
加工方法 铰削
钻孔
×
×
×
×
×
×
攻丝
× ×
×
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现代机械加工新技术
第4章干式（绿色）切削技术
4.3 实施干式（绿色） 切削可采用的方法
10
4.3.1 风冷却切削
干式切削的机床技术
（1）切削热的传出 设置内循环冷气系统可提高机床工艺系统的热稳定性， 在加工区的关键部位设置温度传感器用以监控机床温度场的 变化情况，必要时也可通过数控系统进行精确的误差补偿。 （2）切屑的排出 ① 为便于排屑，干式切削机床在设计时应采用立式主轴 和倾斜床身。 ② 采用特殊排屑措施。
4.2 干式切削技术的特 点及实施的必要条件
3
4.2.1 干式切削技术的特点
特点
① 形成的切屑干净清洁无污染，易于回收和处理； ② 省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等装置及相 应的费用，简化了生产系统，降低了生产成本； ③ 省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备， 机床结构紧凑，减少了占地面积； ④ 不会产生环境污染，也不会产生与切削液有关的安全 及质量事故。
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4.2.2 实施干式切削的必要条件
干式切削的刀具技术
（1）刀具应具有优异的耐热性能（高温硬度）与耐磨性能
图4-2不同刀具材料的硬度与温度关系 图4-3涂层的耐磨性寿命比较
5
4.2.2 实施干式切削的必要条件
干式切削的刀具技术
（2）尽量减小刀具与切屑间的摩擦系数 涂层一般可分两类：一类是“硬”涂层，即在刀具表面 上涂TiN、TiC或Al2O3等涂层，这类涂层刀具，涂层硬度高， 耐磨性好；另一类为“软”涂层，即在刀具表面上涂硫族化 合物MoS2或WS2等减摩涂层，这类涂层刀具也称“自润滑刀 具”。
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4.3.3 准（亚）干式切削
主要问题
① 使第Ⅱ变形区的摩擦状态和刀具磨损机理发生变化， 刀具磨损加快；
② 由于工件材料本身的热塑性增加使得切屑的折断、控 制反处理困难；
③ 加工表面质量不稳定。
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4.3.3 准（亚）干式切削
MQL技术
MQL技术是将压缩空气与少量的切削液混合汽化后，再 喷射到工件的加工部位，使刀-屑接触区得到冷却和润滑。
冷却系统
图4-4 风冷却系统
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4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（1）低沸点液体汽化间接制冷
图4-5 低沸点液体汽化间接制冷原理
12
4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（2）制冷剂压缩机循环间接制冷
图4-6 制冷剂压缩机循环间接制冷原理
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4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（3）空气绝热膨胀直接制冷
图4-7 空气绝热膨胀直接制冷原理
实施MQL技术的关键问题有两个：一是如何保证切削液可 靠进入切削区进行充分冷却润滑；二是如何确定所需的切削 液用量。
第一个问题解决方法有：用“外喷法”，即将油-气混合 物从外部喷向切削区；用“内喷法”，即在刀具中开出油-气 通道，让油-气混合物经此通道喷向切削区，此法切削液耗量 较少，冷却润滑较充分，特别适合于半封闭、封闭切削加工， 但刀具结构较复杂。
简单
低
高
好
较复杂 较高
较低
最好
较简单
高
低
中
简单
低
较高
差
可靠性 最好 最好
好 最好
综合评价 差
最好 好 中
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4.3.1 风冷却切削
风冷却切削存在的问题
风冷却切削具有干式切削的优点，但也存在下列尚需解 决的问题：
① 切屑的收集问题； ② 纯风冷却时刀具的润滑问题； ③ 工件的防锈问题； ④ 冷风的噪声问题。
YT15-45； c = 260 m/min，ap = 2 mm，f = 0.1 mm/r
1—干切，2—浇水，3—水蒸气 图4-11 用水蒸气作为冷却润滑剂时铣刀磨损VB值
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4.3.5 射流注液切削
日本学者采用高压注液法精加工Ni基高温合金Inconel 718 等材料时，后刀面磨损值与切削温度存在一种定量关系，切 削温度的升高会加快后刀面磨损。用K20、涂层P40刀具，与 浇注冷却相比，随着射流速度的提高，后刀面磨损减小。如 刀具磨损值一定，在一定切削条件下用射流冷却比浇注法可 提高切削速度2~2.5倍，刀具使用寿命延长5倍左右。
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4.3.2 液氮冷却干式切削
概述
液氮冷却干式切削是采用液氮使切削区处于低温冷却状 态进行切削加工。
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4.3.2 液氮冷却干式切削
主要方式
主要有两种形式：一是采用液氮的自身瓶装压力喷射到 切削区进行冷却；二是采用液氮受热蒸发循环，间接使刀具 冷却，这是一种低温干式切削方法。
图4-9 液氮冷却干式切削装置
4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（4）涡流管直接制冷
1—喷嘴，2—孔板，3—涡流室，4—控制阀 图4-8 涡流管直接制冷原理
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4.3.1 风冷却切削
冷却原理
制冷方法
低沸点液体制冷
压缩机循环制冷 空气绝热膨胀制
冷 涡流管制冷
表4-2 四种制冷方法性能的比较
装置复 杂程度
初始成本 运行成本
可控性
现代机械加工新技术
第4章干式（绿色）切削技术
4.1 概述
1
4.1 概述
概述
人们正试图少使用或不使用切削液，以适应21世纪清洁 生产和降低成本的要求。干式切削技术就是这样的实用绿色 切削技术，可以较好地解决当前的生态环境、技术与经济间 的协调与持续发展。
图4-1 干式切削
2
现代机械加工新技术
第4章干式（绿色）切削技术
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4.3.4 用水蒸气作冷却润滑剂
uc = 230 m/min, ap = 1 mm, f = 0.15 mm/r
uc = 50 m/min, ap = 1 mm, f = 0.1 mm/r
1—干切，2—浇水，3—水蒸气
图4-10 用水蒸气作为冷却润滑剂的车刀磨损VB值
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4.3.4 用水蒸气作冷却润滑剂
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4.2.2 实施干式切削的必要条件
干式切削的刀具技术
（3）减少对切削液排屑作用的依赖 对于干式切削，排屑则成了要解决的主要问题。 ① 重力排屑法。 ② 虹吸原理排屑法。 ③ 利用真空或喷气系统改善排屑条件，以实现干式切削。 ④ 用复杂的刀具几何结构解决封闭空间的排屑问题。
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4.2.2 实施干式切削的必要条件
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现代机械加工新技术
第4章干式（绿色）切削技术
4.4 干式切削技术的发 展现件
干式切削的工艺技术
表4-1 可实施干式切削的工件材料与加工方法的组合
工件材料
铸铁 钢
铝合金 复合材料 高硬材料
车削 ×
铣削
加工方法 铰削
钻孔
×
×
×
×
×
×
攻丝
× ×
×
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现代机械加工新技术
第4章干式（绿色）切削技术
4.3 实施干式（绿色） 切削可采用的方法
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4.3.1 风冷却切削
干式切削的机床技术
（1）切削热的传出 设置内循环冷气系统可提高机床工艺系统的热稳定性， 在加工区的关键部位设置温度传感器用以监控机床温度场的 变化情况，必要时也可通过数控系统进行精确的误差补偿。 （2）切屑的排出 ① 为便于排屑，干式切削机床在设计时应采用立式主轴 和倾斜床身。 ② 采用特殊排屑措施。
4.2 干式切削技术的特 点及实施的必要条件
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4.2.1 干式切削技术的特点
特点
① 形成的切屑干净清洁无污染，易于回收和处理； ② 省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等装置及相 应的费用，简化了生产系统，降低了生产成本； ③ 省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备， 机床结构紧凑，减少了占地面积； ④ 不会产生环境污染，也不会产生与切削液有关的安全 及质量事故。
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4.2.2 实施干式切削的必要条件
干式切削的刀具技术
（1）刀具应具有优异的耐热性能（高温硬度）与耐磨性能
图4-2不同刀具材料的硬度与温度关系 图4-3涂层的耐磨性寿命比较
5
4.2.2 实施干式切削的必要条件
干式切削的刀具技术
（2）尽量减小刀具与切屑间的摩擦系数 涂层一般可分两类：一类是“硬”涂层，即在刀具表面 上涂TiN、TiC或Al2O3等涂层，这类涂层刀具，涂层硬度高， 耐磨性好；另一类为“软”涂层，即在刀具表面上涂硫族化 合物MoS2或WS2等减摩涂层，这类涂层刀具也称“自润滑刀 具”。
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4.3.3 准（亚）干式切削
主要问题
① 使第Ⅱ变形区的摩擦状态和刀具磨损机理发生变化， 刀具磨损加快；
② 由于工件材料本身的热塑性增加使得切屑的折断、控 制反处理困难；
③ 加工表面质量不稳定。
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4.3.3 准（亚）干式切削
MQL技术
MQL技术是将压缩空气与少量的切削液混合汽化后，再 喷射到工件的加工部位，使刀-屑接触区得到冷却和润滑。
冷却系统
图4-4 风冷却系统
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4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（1）低沸点液体汽化间接制冷
图4-5 低沸点液体汽化间接制冷原理
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4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（2）制冷剂压缩机循环间接制冷
图4-6 制冷剂压缩机循环间接制冷原理
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4.3.1 风冷却切削
冷却原理
（3）空气绝热膨胀直接制冷
图4-7 空气绝热膨胀直接制冷原理
实施MQL技术的关键问题有两个：一是如何保证切削液可 靠进入切削区进行充分冷却润滑；二是如何确定所需的切削 液用量。
第一个问题解决方法有：用“外喷法”，即将油-气混合 物从外部喷向切削区；用“内喷法”，即在刀具中开出油-气 通道，让油-气混合物经此通道喷向切削区，此法切削液耗量 较少，冷却润滑较充分，特别适合于半封闭、封闭切削加工， 但刀具结构较复杂。
简单
低
高
好
较复杂 较高
较低
最好
较简单
高
低
中
简单
低
较高
差
可靠性 最好 最好
好 最好
综合评价 差
最好 好 中
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4.3.1 风冷却切削
风冷却切削存在的问题
风冷却切削具有干式切削的优点，但也存在下列尚需解 决的问题：
① 切屑的收集问题； ② 纯风冷却时刀具的润滑问题； ③ 工件的防锈问题； ④ 冷风的噪声问题。
YT15-45； c = 260 m/min，ap = 2 mm，f = 0.1 mm/r
1—干切，2—浇水，3—水蒸气 图4-11 用水蒸气作为冷却润滑剂时铣刀磨损VB值
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4.3.5 射流注液切削
日本学者采用高压注液法精加工Ni基高温合金Inconel 718 等材料时，后刀面磨损值与切削温度存在一种定量关系，切 削温度的升高会加快后刀面磨损。用K20、涂层P40刀具，与 浇注冷却相比，随着射流速度的提高，后刀面磨损减小。如 刀具磨损值一定，在一定切削条件下用射流冷却比浇注法可 提高切削速度2~2.5倍，刀具使用寿命延长5倍左右。
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4.3.2 液氮冷却干式切削
概述
液氮冷却干式切削是采用液氮使切削区处于低温冷却状 态进行切削加工。
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4.3.2 液氮冷却干式切削
主要方式
主要有两种形式：一是采用液氮的自身瓶装压力喷射到 切削区进行冷却；二是采用液氮受热蒸发循环，间接使刀具 冷却，这是一种低温干式切削方法。
图4-9 液氮冷却干式切削装置