干切削加工及其措施(上)

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　　切削液的使用必须符合环保要求，为此人们进行了大量的探索与研究，如开发新型切削液、加强切削液管理、采用切削废液处理技术以及改进冷却方法等，试图减小使用切削液所带来的不利影响，但都未能取得很满意的效果。而要从根本上消除传统切削液带来的不利因素，干切削(Dry Cutting)是一种可行的方法。本文结合当前国内外在干切削加工技术方面的经验，分析了影响干切削加工的因素，在此基础上探讨了实现干切削加工的一些措施，最后简要介绍了国内外对干切削加工的研究与应用情况。

　　1影响干切削加工的因素

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　　干切削是指在切削加工中不使用切削液的工艺方法。它从源头上消除了切削液带来的一系列环境负面效应，主要具有如下特点：(1)形成的切屑洁净、无污染、易于回收和处理；(2)省去了与切削液有关的供应、回收、过滤等有关装置的购买及保养费用，以及与切屑、切削液处理有关的费用，既简化了生产系统，又节约了生产成本；(3)不污染环境，工厂无需承担切削废液污染责任，也不会发生与切削液有关的安全及质量事故。

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　　然而在加工中若不使用切削液，会使切削状态进一步恶化，即切削温度升高，刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦会进一步加剧，排屑不畅，刀具寿命降低，并使加工表面质量变差。因此，要使干切削加工能顺利进行，就必须寻求技术上的解决方案，使其能弥补切削液的主要功能。这就要求仔细分析各种特定的边界条件和影响干切削加工的复杂因素(附图)。

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　　2实现干切削加工的措施研制适合干切削加工的刀具材料

　　开发适合干切削加工的刀具材料是其成功应用的关键之一。在干切削加工时，一般采用比普通加工要高的切削速度，这样可以加速排屑及散热，从而提高刀具寿命、增加刀具的抗热性能。但在高速切削时，切削区会产生大量的热量，切削用量越大，切削区的温度也越高，传统方法一般都要加冷却液冷却，然而采用新型刀具材料以及选择合理的切削参数，既可承受切削过程中的高温，进行高速切削，又可使产生的大部分热量传给切屑，即可进行干切削加工。

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　　干切削刀具材料要具有优良的热性能，常用的有红硬性较高和耐磨性较好的粘结硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、涂层HSS、金刚石及立方氮化硼(CBN)等。近年来，还在Al2O3基体中添加20%～30%的SiC晶须，形成了“晶须增韧陶瓷”。SiC晶须的作用犹如钢筋混泥土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的干切削刀具材料。开发刀具涂层技术

　　适宜的刀具涂层不仅可以增强刀具的抗热性能，降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦系数，减少刀具磨损，而且能降低切削力和切削温度，提高刀具寿命，并能改善加工表面质量。因此，开发刀具涂层技术也是实现干切削加工的关键之一。

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　　目前，干切削刀具涂层技术的主要发展趋势：一是采用“软”涂层，如德国Guhring公司开发的“MOVIC”软涂层工艺，就是在刀具表面涂覆一层固体润滑剂-MoS2，这种涂层刀具表面有润滑功能，在加工时可减少切屑与刀具之间的摩擦，避免产生积屑瘤，提高刀具寿命。试验表明，在含9%Si的铝合金上进行干攻丝加工，未涂层丝锥只能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可加工1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可加工4000个孔。二是采用软/硬组合涂层，即先在刀具上涂上“硬”涂层(如TiN)，再在其上涂“软”涂层(如MoS2)。如采用一种(Ti，Al)N+MoS2涂层的钻头干钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔，刀具寿命高达1600min，而只涂TiN或TiCN涂层的钻头，其寿命分别为19.6min和44min。优化刀具几何形状

　　在干切削加工中，刀具几何形状的优化非常重要。标准刀具不宜采用干式切削，为此干切削加工应选择优化的刀具几何形状，以减少加工中刀具与切屑间的摩擦。刀具几何形状优化应做到：第一、减少刀具/工件表面之间的接触面积，如钻头应减少倒锥和螺旋角；第二、考虑刀具表面的最大润滑性，防止积屑瘤的产生。

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　　此外在干切削加工时，细颗粒优质硬质合金刀具和金刚石刀具的切削刃口可作轻微的小钝化，以其自身基体的强度来保持刃口的锋利，达到降低切削温度的目的。这不但可保持刀具的高性能，而且还可保持刀具的最佳使用寿命。

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　　采用MQL技术

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　　在无法完全实现干切削的情形下，可采用“切削液最少量(Minimal Quantities of Lubricant，MQL)”技术来尽量减少切削液的使用量，MQL也称为准干切削(Near Dry Cutting)。这里的“切削液最少量”是指供给切削过程很少量的切削液(当机床工作在最佳条件下时，切削液消耗量应在50mL/h以下，而采用正常射流冷却时的切削液消耗量可能超过6L/min)。

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　　MQL技术主要有气雾外部润滑和内部冷却两种方式：气雾外部润滑方式是将冷却液送入喷射冷却系统里面与气体混合，在高压下通过一个多头喷嘴将雾化为毫微米级的气雾不断喷射到刀具表面，对刀具进行冷却和润滑；气雾内冷却方式是直接将冷却气雾通过主轴和刀具送入切削区域，对其进行冷却和润滑。根据加工需要，可将内、外气雾两种冷却润滑方式配合使用，效果会更佳。

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