隨著“21世紀(jì)綠色制造工程”的提出和實(shí)施琳疏，高速干式切削加工技術(shù)日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)摆地。迄今响攘，大多數(shù)金屬切削加工仍是以使用切削液的濕式加工方式來進(jìn)行窟著。切削液具有冷卻哗励、潤滑、排屑危暇、清洗界橱、防銹等功能，并對(duì)延長刀具使用壽命托祖、保證加工表面質(zhì)量起著重要作用丛君。但是，在切削過程中使用切削液舟肉，一方面造成了資源和能源的巨大浪費(fèi)(據(jù)德國公司的統(tǒng)計(jì)資料修噪，切削液使用費(fèi)用占總制造成本的16%，而切削刀具費(fèi)用僅占總制造成本的3%～4%)度气。另一方面割按，切削液會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染，甚至?xí)：と私】盗准ｋS著全球環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)和環(huán)境保護(hù)立法的日益嚴(yán)格适荣，對(duì)環(huán)境無污染的“綠色制造”被認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代制造業(yè)模式。為使金屬切削加工盡可能達(dá)到綠色制造的要求院领，可減少環(huán)境污染弛矛、節(jié)省資源和能源的高速干式切削技術(shù)越來越多地受到人們的關(guān)注。

　　所謂高速干式切削加工比然，是指在高速機(jī)械加工中丈氓，為保護(hù)環(huán)境、降低成本而有意識(shí)地減少或完全停止使用切削液强法。高速切削加工具有以下優(yōu)越性：

　　(1)隨著切削速度的提高万俗，單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率(切削速度、進(jìn)給量和切削深度的乘積，v×f×ap)增加辆泄，切削加工時(shí)間減少蟋真，從而可大幅度提高加工效率，降低加工成本铐坠。

　　(2)在高速切削加工范圍內(nèi)酷它，切削力隨著切削速度的提高而減小，根據(jù)切削速度的提高幅度遂涛，切削力平均可減少30%以上悦阿，有利于對(duì)剛性較差的零件和薄壁零件的切削加工。

　　(3)高速切削加工時(shí)乏乔，切屑以很高的速度排出丝板，可帶走大量切削熱。切削速度愈高勿镇，帶走的熱量愈多(約90%以上)肄高，傳給工件的熱量大幅度減少盘瞧，有利于減小加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形蚂兴，提高加工精度。

　　(4)從動(dòng)力學(xué)的角度膘掰，在高速切削加工過程中章姓，切削力隨切削速度的提高而降低，而切削力正是切削過程中產(chǎn)生振動(dòng)的主要激勵(lì)源识埋。轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率凡伊，而工件的加工表面粗糙度對(duì)低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度窒舟。

　　(5)高速切削可加工硬度45～65HRC的淬硬鋼鐵件系忙，如采用高速切削加工淬硬后的模具，可減少甚至取代放電加工和磨削加工惠豺，滿足加工質(zhì)量的要求银还。

　　2.實(shí)現(xiàn)高速干式切削加工的關(guān)鍵技術(shù)

　　在高速干式切削加工中，由于切削過程缺少切削液的潤滑洁墙、冷卻蛹疯、排屑等作用，相應(yīng)地會(huì)出現(xiàn)以下問題：

　　(1)由于缺少切削液的潤滑作用热监，高速干式切削加工中的切削力會(huì)大大增加捺弦，刀具與工件之間的振動(dòng)會(huì)加劇，從而導(dǎo)致工件加工表面質(zhì)量變差悬占，刀具磨損加快脂槽，刀具使用壽命縮短。

　　(2)由于缺少切削液的冷卻作用邓秕，高速干式切削加工會(huì)在加工瞬間產(chǎn)生大量熱量现碰，這些熱量主要集中在切屑中矫摸，會(huì)影響切屑的成型，過熱的高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致形成帶狀和纏結(jié)狀切屑并纏繞在刀具上伐歇，影響后續(xù)切削烧锋，加劇刀具磨損。如不及時(shí)將熱量從機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)中排出磁姻，同樣會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生嚴(yán)重的熱變形密梯，影響加工精度和降低工件表面質(zhì)量。

　　(3)在高速干式切削加工某些材料(如石墨電極等)時(shí)革睬，會(huì)產(chǎn)生大量粉塵安影，如不能及時(shí)清除，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害操作工人的身體健康竣康，同時(shí)細(xì)微顆粒也會(huì)侵入絲杠膏蚓、軸承等機(jī)床關(guān)鍵部件，加大機(jī)床的磨損畸写，影響機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性驮瞧。

　　(4)由于高速干式切削加工與高速濕式切削加工的切削過程有所不同，為使機(jī)床能夠穩(wěn)定地完成切削過程枯芬，需要對(duì)原來高速濕式切削加工選用的切削參數(shù)作相應(yīng)修改和調(diào)整论笔，才能應(yīng)用于高速干式切削加工。

　　為了解決以上問題千所，使高速干式切削加工在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到與高速濕式切削加工相當(dāng)(甚至更高)的加工質(zhì)量和刀具耐用度狂魔，就必須對(duì)包括機(jī)床、刀具淫痰、工件以及切削參數(shù)在內(nèi)的整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行全面的考慮權(quán)衡最楷，并采取相應(yīng)的工藝措施，以彌補(bǔ)高速干式切削加工的不足待错。

　　2.1高速干式切削加工機(jī)床技術(shù)

　　由于高速干式切削加工機(jī)床不再使用切削液籽孙，必然導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)及布局的變化，主要體現(xiàn)在對(duì)機(jī)床的隔熱性能朗鸠、排屑速度蚯撩、洗塵效果和機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件的三剛度(靜剛度、動(dòng)剛度和熱剛度)等方面提出了更高要求抵刺。

　　(1)選用三剛度高的高速機(jī)床

　　由于高速干式切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生更大的切削力和更多的切削熱饲悟，從而導(dǎo)致刀具與工件之間的振動(dòng)以及機(jī)床的熱變形明顯增大，因此選用的機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件(如立柱衫喜、床身根朱、工作臺(tái)等)的三剛度要大，如采用人造花崗巖等新材料整體制造床身，不僅三剛度好敏盒，而且減振效果明顯汤顷。此外，將被認(rèn)為是“21世紀(jì)的新式數(shù)控機(jī)床”翁凳、“機(jī)床結(jié)構(gòu)的重大技術(shù)革命”的虛擬軸機(jī)床與高速干式切削加工技術(shù)結(jié)合起來递促，將會(huì)獲得更好的效果。

　　(2)采用快速排屑布局

　　應(yīng)用高速干式切削加工的要點(diǎn)之一是要在切屑中的大部分熱量傳入機(jī)床之前迅速將其排出县趴。為此送魁，可采取以下排屑方法：

　　①為了便于排屑锭汛，高速干式切削加工機(jī)床應(yīng)盡可能采用立式主軸和傾斜式床身笨奠，工作臺(tái)四周應(yīng)采用傾斜的隔板，這樣有助于熱切屑迅速墜入排屑槽中唤殴。

　“闫拧②借助重力排屑。以鉆削加工為例朵逝，可改變機(jī)床常規(guī)布局蔚袍，將工件安裝在主軸下部，刀具從下向上鉆削廉侧，在重力作用下页响，切屑可從孔中順利排出，而無須使用帶壓力的切削液來輔助排屑段誊。

　　③利用虹吸現(xiàn)象排屑栈拖。在鉆削加工中连舍，可利用干燥的空氣通過虹吸作用吸出孔中的切屑，而無須使用切削液涩哟。

　∩笠凇④利用真空或噴氣系統(tǒng)改善排屑條件。如日本某公司開發(fā)的“潔凈回收系統(tǒng)”帝愉，采用將刀具部分罩住的結(jié)構(gòu)最咖，利用從內(nèi)部吹出的壓縮空氣，使切屑順著刀具回轉(zhuǎn)方向經(jīng)螺旋管道排出暖麻。

　　(3)采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)母魺岽胧?/p>

　　機(jī)床床身采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和材料碑甘，可將切削熱的影響降到最低程度。如采用均衡溫度的結(jié)構(gòu)瘾手，將床身的左右兩側(cè)销顷、頂部和底部設(shè)計(jì)成四個(gè)相通的型腔并注入油液，即可保證整個(gè)床身具有相同的溫度。此外灼烫，機(jī)床立柱與底座等基礎(chǔ)構(gòu)件采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)并選用熱容量小的材料筋蝴，主軸采用恒溫水冷裝置等，都能提高機(jī)床的熱穩(wěn)定性窄忱。

　　采取適當(dāng)?shù)母魺岽胧┑豪裕缗判疾塾媒^熱材料制造，高速切削區(qū)采用絕熱罩來隔斷熱切屑糟秘，均可減少排屑過程中切屑傳遞給機(jī)床的熱量娜亿。

　　2.2高速干式切削加工刀具技術(shù)

　　(1)開發(fā)適合高速干式切削加工的刀具材料

　　為了加速排屑和散熱，延長刀具的使用壽命蚌堵，高速干式切削加工的切削速度一般要高于普通高速加工买决。因此，高速干式切削加工刀具材料應(yīng)具有很高的紅硬性和熱韌性吼畏。目前督赤，適用于干式切削的刀具材料主要有超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、聚晶金剛石(PCD)泻蚊、立方氮化硼(CBN)躲舌、SiC晶須增韌陶瓷和納米晶粒陶瓷材料等。

　　細(xì)化后的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有很好的硬度性雄、耐磨性没卸、韌性和耐熱性。普通硬質(zhì)合金的平均晶粒尺寸約為2～3μm秒旋，細(xì)化晶粒的尺寸約為1～2μm约计，超細(xì)晶粒尺寸則在0.5μm以下。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金適用于需要大前角的加工場(chǎng)合援丐，可用于制造高速干式切削中使用的鉆頭善簸、深孔鉆等。立方氮化硼(CBN)材料的硬度高達(dá)3200～4000HV苇给，具有很高的耐熱性和抗化學(xué)腐蝕性呛产，在1200℃～1300℃的高溫下仍不會(huì)與鐵族材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，非常適合對(duì)鑄鐵和淬硬鋼等進(jìn)行高速干式切削北淘。聚晶金剛石(PCD)材料的硬度約為CBN的2倍治勒，是最硬、最耐磨的刀具材料玷源，其導(dǎo)熱性好路倔，熱膨脹系數(shù)也很小，特別適合對(duì)各種銅鋁合金诉玲、非金屬材料和復(fù)合材料進(jìn)行高速干式切削加工搂棱。PCD涂層刀具在高速干式切削加工鋁合金工件時(shí)可獲得良好效果叔梆。用CVD(化學(xué)沉積)工藝生產(chǎn)的金剛石涂層刀片適用于銑削加工鋁合金。在Al2O3陶瓷基體中添加20%～30%的SiC晶須即可制成晶須增韌陶瓷材料偏控，SiC晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋筑凫，它能成為阻擋或改變裂紋擴(kuò)展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高并村，是一種很有發(fā)展前途的刀具材料巍实。

　　(2)研究開發(fā)適合高速干式切削加工的刀具涂層

　　對(duì)刀具表面進(jìn)行涂層處理可減小刀具與工件表面之間的摩擦，減小切削力哩牍，降低對(duì)切削液潤滑作用的依賴棚潦。

　　目前，用于高速干式切削刀具的涂層技術(shù)主要有兩類膝昆，一種是“硬”涂層丸边，如TiN、TiC荚孵、Al2O3等妹窖。此類涂層刀具表面硬度高、耐磨性好收叶，其中骄呼，TiC涂層刀具抗后刀面磨損能力很強(qiáng)；TiN涂層刀具則有較理想的抗月牙洼磨損能力判没。另一種是“軟”涂層蜓萄，如MoS2涂層、WS2涂層等钳生。此類涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)是表面摩擦系數(shù)很低(約0.01)秤慌，切削時(shí)可減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦孩青，故又稱為自潤滑刀具径揭。例如，瑞士開發(fā)的“MOVIC”軟涂層技術(shù)在刀具表面涂覆一層MoS2森肉。切削實(shí)驗(yàn)表明，在Si含量為9%的鋁合金工件上進(jìn)行干式攻絲加工時(shí)滋评，普通絲錐只能加工20個(gè)孔朵泌，TiAlN涂層絲錐可以加工1000個(gè)孔，而MOVIC涂層絲錐可以加工4000個(gè)孔购廊。TiAlN是高速干式切削常用的涂層材料岳舔，它與基于MoS2的“MOVIC”軟涂層結(jié)合使用時(shí)，可獲得更好的加工效果刃镶。

　　(3)優(yōu)化刀具幾何形狀

　　針對(duì)高速干式切削加工的特點(diǎn)躲扣，需要對(duì)高速干式切削加工刀具的幾何形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：

　∩趼觥①減少加工刀具與工件表面之間的接觸面積。如加大鉆頭的導(dǎo)程和倒錐角铆农，以防止切屑阻塞牺氨，改善排屑性能。改進(jìn)后效果明顯墩剖，鉆孔能力可提高數(shù)倍猴凹。

　　②考慮刀具表面的最大潤滑性岭皂，防止產(chǎn)生積屑瘤郊霎。

　　③在高速干式切削加工時(shí)爷绘，可對(duì)細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具的切削刃口作微小鈍化书劝，以刀具基體的強(qiáng)度來保持刃口的鋒銳性，達(dá)到降低切削溫度的目的土至。這樣不但可保持刀具的優(yōu)良性能购对，還可延長刀具的最佳使用壽命。

　”凶选④在高速干式切削加工韌性材料時(shí)湘乐，斷屑槽的斷屑性能起著十分關(guān)鍵的作用”卑瑁可針對(duì)不同的工件材料和切削用量扇胀，設(shè)計(jì)相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，提高切屑折斷能力和對(duì)切屑流動(dòng)方向的控制能力稼崎。在封閉空間進(jìn)行高速干式切削(如干式鉆削忌党、干式鉸削、干式攻絲等)時(shí)清农，則應(yīng)增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度铺举。例如，德國WZL的切削試驗(yàn)表明栽寄，在用硬質(zhì)合金鉆頭干式鉆削回火鋼時(shí)(孔深30mm劫伊，孔徑11.8mm，進(jìn)給速度vc=80m/min纤耐，每次進(jìn)給量f=0.2mm)姊呐，標(biāo)準(zhǔn)鉆頭只能鉆削約400個(gè)孔，而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)助被、加寬了鉆頭排屑槽幾何形狀的鉆頭可鉆削高達(dá)2200個(gè)孔剖张，優(yōu)勢(shì)明顯。

　　2.3高速干式切削加工參數(shù)的選擇

　　針對(duì)高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力揩环、切削熱明顯增大的情況搔弄，需要重新考慮權(quán)衡和合理選用相應(yīng)的切削參數(shù)幅虑，以使高速干式切削加工過程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性滿足加工要求。

　　2.4高速干式切削加工輔助技術(shù)

　　如前所述顾犹，高速干式切削時(shí)切削力大倒庵、切削溫度高，尤其在對(duì)某些超硬材料進(jìn)行干式加工時(shí)難度很大蹦渣，因此可以采用某些特殊加工輔助技術(shù)哄芜。如在對(duì)氮化硅(Si3N4)工件進(jìn)行高速干式切削時(shí)，由于該材料的抗拉強(qiáng)度極高柬唯，使用任何刀具都會(huì)很快破損认臊，此時(shí)可采用激光輔助切削技術(shù)，即用激光束對(duì)工件切削區(qū)進(jìn)行預(yù)熱锄奢，使工件材料局部軟化(抗拉強(qiáng)度由750N/mm降至400N/mm)失晴，這樣可改善材料的可加工性，使切削力減小30%～70%工划，刀具磨損降低80%左右滑信，切削過程中的振動(dòng)也明顯減少，材料切除率大大提高恒左，使高速干式切削得以順利進(jìn)行煞恭。

　　此外，還可采用液氮冷卻高速干式切削和高速準(zhǔn)干式切削技術(shù)蔬旋，其中井翅，高速準(zhǔn)干式切削(也稱為最小量潤滑技術(shù)，MQL)是目前已投入應(yīng)用的一種新型切削技術(shù)哩疲。用MQL方法進(jìn)行切削加工霹链，工件和切屑可保持干燥、清潔梨脖，干凈的切屑經(jīng)過壓縮還可回收利用厦绪，完全不會(huì)污染環(huán)境。該技術(shù)所需投資很少屎螟，但收效很大逛镶。據(jù)稱，目前歐洲每年約需15000臺(tái)具有最小潤滑量裝置的高速機(jī)床疗韵，而且需求量還在迅速增長丈屹。

　　3.高速干式切削加工技術(shù)的應(yīng)用

　　高速干式切削加工技術(shù)是一種正在不斷發(fā)展的新興加工技術(shù)，隨著諸多技術(shù)問題(如機(jī)床伶棒、刀具、涂層彩库、切削參數(shù)等)的不斷解決肤无，高速干式切削加工的應(yīng)用范圍正進(jìn)一步擴(kuò)大先蒋。目前，高速干式切削加工在車削宛渐、銑削加工中的應(yīng)用(尤其是鑄鐵材料的高速切削)已日益普遍竞漾；在鉆削、鉸削窥翩、攻絲业岁、拉削和滾齒等方面也有重大突破。

　　高速干式切削加工技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)的高速濕式切削生產(chǎn)方式的一種革命性變革寇蚊，是一種理想的“綠色制造”工藝方法笔时，是對(duì)傳統(tǒng)制造觀念和生產(chǎn)方式的一種挑戰(zhàn)，它的推廣應(yīng)用將在機(jī)械制造行業(yè)引起廣泛而深遠(yuǎn)的影響厕斩。國外對(duì)高速干式切削加工技術(shù)的研究已相當(dāng)深入辨头，且應(yīng)用范圍也比較廣泛。我國對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究及開發(fā)還處于起步階段翠冻，與國外相比有不小差距曙早，在實(shí)際應(yīng)用中也遇到許多困難和障礙，涉及到觀念更新和技術(shù)攻關(guān)兩個(gè)方面纪闽，需要進(jìn)行長期不懈的努力邻冷。但是，高速干式切削加工代替高速濕式加工是機(jī)械制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)委勤，相信隨著高速干式切削加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和不斷成熟妆跌，它必將展現(xiàn)出廣闊而美好的發(fā)展前景。

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