高速干切削：新型的绿色加工技术

HEATS

　　切削加工的绿色化是制造业可持续发展的重要方向。高速干切削是一种新型的绿色制造方式。与传统的切削方式相比，高速干切削技术具有生产效率高、加工质量好、无环境污染等特点，具有很大的发展潜力，是未来切削加工发展的一个趋势。

* Z) a; f8 q+ ?* f S# \# Q # F9 P" m8 w( F# i5 d

　　高速干切削技术的产生

6 C- V0 m7 t3 \0 ~4 H

　　高速干切削的出现与高速切削和干切削有密切关系。高速切削具有切削效率高、切削力小、加工精度高、切削热集中、加工过程稳定以及可以加工各种难加工材料等特点。随着高速机床、加工中心的不断发展，切削速度和切削功率急剧提高，使得单位时间内的金属切除量大大增加，机床的切削液用量也越来越大。但高速切削时切削液实际上很难到达切削区，大量的切削液根本起不到实际的冷却作用。这不仅增加了制造成本，还加重了切削液对资源、环境等方面的负面影响。

; t. j0 o. E, O, I8 V, \

　　与高速切削相比，由于干切削在加工过程中不用(或微量使用)切削液，是一种对环境污染源头进行控制的清洁制造工艺。干切削作为一种新型的绿色制造技术，不仅环境污染小，而且能大幅度降低产品的生产成本。作为一种环境效益和经济效益俱佳的切削技术，干切削已成为目前绿色制造工艺研究的一个热点，并已在车、铣、钻、铰、镗削等加工中得到了成功应用。

# b- r/ \& C& F7 E9 K* v

　　而高速干切削技术是在高速切削技术的基础上，结合干切削技术或微量切削液的准干切削技术，将高速切削与干切削技术有机地融合，结合两者的优点，并对它们的不足进行了有效补偿的一项新兴先进制造技术。切削技术、刀具材料和刀具设计技术的发展，使高速干切削的实施成为可能。采用高速干切削技术可以获得高效率、高精度、高柔性，同时又限制使用切削液，消除了切削液带来的负面影响，因此是符合可持续发展要求的绿色制造技术。

! {4 f L3 N! V5 [2 x( K0 W

　　生产效率高、加工质量好、成本低

　　采用高速干切削技术加工产品，有以下特点。

& G" E/ X5 e6 c1 c/ F" \1 b0 q

　　——生产效率高。高速干切削的切削速度远高于常规切削。目前在实际生产中高速切削铝合金的速度范围为1500～5500m/min，铸铁为750～4500m/min，普通钢为600～800m/min。切削进给速度已高达20～40m/min。而且，高速切削技术还在不断发展。

* `" i$ P2 G7 s5 _: m7 s3 E7 x

　　采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍。传统的切削加工方式为“重切削”方式，每一刀切削排屑量大(切削深度大，但进给速度低)；而高速干切削为“轻切削”方式，采用小吃刀深度、高主轴转速和高进给速度，每一刀切削排屑量小，切削深度小，但切削线速度大，进给速度高，这样可显著提高工件材料切除率，切削效率高。

　　——加工质量好。干切削是依靠刀具涂层起到润滑减摩作用，无论切削速度多高，涂层的前后刀面都始终在接触区内，所以，高速切削时更容易显示出干切削的优势。尽管干式切削由于缺少切削液的润滑、冷却、冲洗和排屑断屑作用，会导致刀具与工件、切屑之间的摩擦加剧，切削力增大，切屑变形加剧，切削热急剧增加，切削区温度显著升高，刀具耐用度降低，工件加工质量不易保证。但可通过分析干切削的各种特定条件和影响干切削的各种因素，寻求相应的技术解决方案及措施来弥补不使用切削液所造成的上述缺陷。如针对不同的工件材料和切削用量设计刀具结构、几何参数和相应的断屑槽形，以满足干切削的加工要求；某些刀具涂层材料具有类似切削液的功能，可隔离切削热，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应等。应用这些措施来保证干切削的加工质量，使干切削加工顺利进行，达到甚至超过湿切削时的加工质量、生产率和刀具耐用度。

$ u- v# x; ]2 I" w

　　——生产成本低。湿切削加工中切削液的使用成本太高。德国汽车制造业的调查数据显示，把切削液的费用和有关设备费、能耗费、处理费、人工费、维修费、材料费加在一起达到全部制造费用的7%～17%，而全部刀具费用仅为总制造费的2%～4%，可见使用切削液的成本已数倍于刀具费用。同时，由于排放的切削液和带有切削液的固体物被当作有毒材料进行处理，大大增加了切削液的供给、保养和回收处理成本，在与切削液有关的总费用中回收处理费用高达22%。而采用高速干切削技术后由于不使用或使用最少量的切削液，加工的成本就会大幅度降低。

& l. J1 Y5 T" y: t( j

　　另一方面，由于在高速干切削过程中，大部分的切削热被切屑和刀具承载，切屑被快速处理掉，而刀具却持续承受切削热和切削力。因此，高速干切削对刀具材料和工艺的要求很高(要求刀具有很高的红硬性和高温稳定性)，使刀具的成本相应有所提高。此外，在大多数情况下，高速干切削刀具都是针对某种材料的具体工艺要求专门设计制作的，这就需要在刀具设计中融入高效冷却手段或进行刀具结构和几何参数的独特设计(如在切削发热严重时，刀具前刀面可加一个液氮循环冷却装置)，这在一定程度上也增加了刀具的成本。

T) i" d- r3 l) }) l9 x" e% ~

　　综上所述，尽管高速干切削加工的刀具和机床成本有所增加，但由于节省了大量的切削液成本，而且切削速度提高、切削时间变短、设备利用率提高，使得综合生产成本大幅度下降。

% H# J( h4 P+ J! B0 r, _$ U 6 q% q" F; O( i

　　发展高速干切削应解决的关键技术

- u+ l- F( e6 s( n6 |

　　目前高速干切削技术还在发展中，以下问题尚需进一步改进。急需发展的技术集中体现在：

# ]: w1 G; y1 f$ S

　　——刀具技术。刀具的性能是高速干切削能否成功实施的关键。高速干切削不仅要求刀具材料有很高的红硬性和高温稳定性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗黏结性。需要发展的技术主要包括刀具涂层技术、刀具材料技术、刀具结构和几何参数的设计、可靠的刀具监测装置等。

7 c" {* f8 m& b( p7 `8 _ 9 o1 Y* w4 A. F9 G7 i8 c2 ~! {+ B( V

　　——机床技术。开发性能优良的高速机床,是实现高速干切削的前提条件和关键因素。设计高速干切削机床时要考虑的特殊问题主要有：设计和制造高速度、大功率的主轴单元、进给单元和辅助装置；切削热的散发；切屑和灰尘的排出等。【MechNet】

3 z; C5 S4 W/ ?# u& T* D0 P