前言
    高速切削加工因具有增進(jìn)生產(chǎn)效率、減少切削力、提高加工精度和表面質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，且可加工高硬材料等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在航空、汽車、模具等制造業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在高速加工中，通常都大量使用切削液，以發(fā)揮其潤滑、冷卻、排屑作用。但隨著綠色制造、清潔制造等生產(chǎn)理念的成熟，人們越來越清醒地意識(shí)到大量使用切削液所帶來的負(fù)面影響：① 零件的生產(chǎn)成本大幅度提高。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在零件加工總成本中，切削液費(fèi)用約占16%，而刀具費(fèi)用只占總成本的4%。② 造成對環(huán)境的嚴(yán)重污染，破壞生態(tài)環(huán)境，不利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。③ 直接危害車間工人的身體健康。為提高產(chǎn)品競爭力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的統(tǒng)一，本研究探討將高速切削加工和干切削技術(shù)有機(jī)結(jié)合的高速干切削技術(shù)，對于實(shí)現(xiàn)綠色制造及指導(dǎo)業(yè)界的生產(chǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
    1 高速干切削技術(shù)的內(nèi)涵
    在所見論述干切削技術(shù)的文獻(xiàn)中，干切削技術(shù)通常都是指不使用切削液來進(jìn)行切削加工的技術(shù)方法，是相對于傳統(tǒng)的使用切削液加工(濕加工)方法而言的。筆者認(rèn)為這只是狹義上的干切削技術(shù)，今天更應(yīng)該從廣義上來理解干切削技術(shù)：只要是在加工過程中不使用切削液或很少使用切削液，加工出的工件和形成的切屑是干燥的、“干凈”(清潔)的且能保證加工質(zhì)量的方法就應(yīng)歸人干切削技術(shù)范疇。如采用最小量潤滑技術(shù)(Minimal Quantity Lubrication)法加工時(shí)，工件和切屑可保持干燥，過去稱之為“準(zhǔn)干切削”(Near-Dry cutting) ，實(shí)際上從廣義來說，可認(rèn)為其屬于干切削范疇。所以高速干切削技術(shù)可表述為：高速干切削技術(shù)是使用高速切削加工方法，在切削過程中不使用切削液或使用微量切削液，加工出的工件和形成的切屑是干燥的、“干凈”(清潔)的高精度、高效率的先進(jìn)加工技術(shù)。
    2 高速干切削技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法
    要實(shí)現(xiàn)高速干切削技術(shù)，就要研究用相關(guān)的技術(shù)手段在加工過程中復(fù)現(xiàn)、替代切削液的潤滑、冷卻、排屑的功用，以消除因缺少切削液而產(chǎn)生的刀具與工件、切屑之間摩擦的增加，以及由此引起的刀具壽命下降、工件加工質(zhì)量變差等問題，從而順利進(jìn)行干切削加工，達(dá)到或超過濕加工時(shí)的生產(chǎn)率，并提高加工質(zhì)量、刀具耐用度。這些可以從包括機(jī)床、刀具、工藝等在內(nèi)的幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。
    2.1 高速干切削的機(jī)床技術(shù)
    從機(jī)床技術(shù)角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)高速干切削技術(shù)，主要考慮的問題是：① 切削熱迅速散發(fā)；② 切屑和灰塵的快速排出；③ 采用不同的工藝方法時(shí)輔助設(shè)備的安裝等。
    采用高速機(jī)床
    高速加工能使切削力降低30%左右，90%以上的切削熱由切屑帶走川，工件可基本保持室溫狀態(tài)，特別適合加工后容易熱變形的工件。并且激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床和工藝系統(tǒng)的固有頻率，加工過程平穩(wěn)，振動(dòng)小，銑削和車削可達(dá)到磨削的質(zhì)量水平。高速加工的這些優(yōu)點(diǎn)可彌補(bǔ)干切削的一些不足，二者的有機(jī)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、無污染的加工。這也正是使用高速干切削技術(shù)的初衷。
    機(jī)床結(jié)構(gòu)排屑裝置設(shè)計(jì)
    實(shí)現(xiàn)快速排屑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最可靠的方法之一就是改造機(jī)床結(jié)構(gòu)，使切屑能利用自身重力自動(dòng)、快速地排出。這種方法只需要在原機(jī)床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，在機(jī)床工作間內(nèi)預(yù)留出一定的排屑空間，去除工作間內(nèi)容易滯留切屑的平臺(tái)或溝槽。或者直接把原來普通機(jī)床的主軸、刀架改為立式布置，也能實(shí)現(xiàn)快速排屑，這樣工件在切削時(shí)就被倒置在工作間里，切屑被切離工件后自然落下。這種結(jié)構(gòu)上的改造不但能可靠地實(shí)現(xiàn)快速排屑，而且?guī)缀醪辉黾訖C(jī)床的造價(jià)，因此得到了廣泛、迅速的應(yīng)用。
    干切削會(huì)比傳統(tǒng)切削產(chǎn)生更多的灰塵和細(xì)小切屑，這些灰塵和細(xì)小切屑一旦進(jìn)人機(jī)床運(yùn)動(dòng)副，會(huì)加劇機(jī)床部件的磨損，若進(jìn)人機(jī)床電氣控制線路，則可能造成短路。所以應(yīng)對機(jī)床主軸、導(dǎo)軌等精密運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行密封，必要時(shí)設(shè)計(jì)真空、吹氣或虹吸裝置來排塵及輔助排屑，以保證切削過程的順暢。
    遵循模塊化設(shè)計(jì)原則
    由于加工方法和工件特性的差異，進(jìn)行干切削加工時(shí)可能需要用到不同的輔助設(shè)備(如MQL技術(shù)中的噴油潤滑裝置、激光輔助加工中的激光輔助裝置等)。所以機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，將各種輔助裝置與機(jī)床主體之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化，使機(jī)床能方便地實(shí)現(xiàn)不同的工件與切削方法的組合。
    2.2 高速干切削的刀具技術(shù)
    由于不使用切削液，干切削的切削區(qū)失去了切削液冷卻、潤滑，干切削時(shí)的切削溫度比普通濕切削時(shí)的切削溫度要高很多，刀具與切屑間的摩擦增大，加劇了刀具的磨損。刀具能否承受干切削時(shí)巨大的熱能，是實(shí)現(xiàn)干切削的關(guān)鍵。只有采用高熱剛度、高硬度、高沖擊韌性的刀具材料，結(jié)合涂層技術(shù)以及對刀具參數(shù)和切削用量進(jìn)行優(yōu)化，才能夠可靠地實(shí)現(xiàn)高速干切削。
    采用性能優(yōu)越的刀具材料
    干切削不僅要求刀具材料具有極高的紅硬性和熱韌性，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷(Al2O3，Si3N4)、立方氮化硼(CBN)、聚晶金剛石(PCD)等都具有較高的紅硬性和耐磨性，是目前應(yīng)用最為普及的幾種干切削刀具材料在選用這些刀具材料時(shí)，應(yīng)與加工材料的性質(zhì)、加工方法結(jié)合起來綜合考慮。
超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金特別能承受較高溫度的切削，具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌度，適用于制作干切削用的鉆頭和銑刀。金屬陶瓷的硬度和沖擊性好，但熱硬性差，大多用于精加工和半精加工。陶瓷具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，是相對廉價(jià)的干切削刀具材料，但其強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能差，適用于灰鑄鐵和鋼的高速干切削。CBN 的硬度和耐磨性僅次于金剛石，有優(yōu)良的紅硬性北學(xué)穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù)，是高速干切削HRC50以上淬硬鋼和冷硬鑄鐵等黑色金屬時(shí)的理想刀具材料。PCD刀具有很高的硬度和熱導(dǎo)率，適合高速干切削有色金屬合金(如銅合金、鋁合金以及鈦合金)與纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料，但不能加工黑色金屬。
    上述材料又大都有脆性比較大的缺點(diǎn)，但是干切削相對于傳統(tǒng)濕切削而言，消除了由于切削液使用不連續(xù)或冷卻不均造成的熱沖擊，因此對使用這些脆性較大的超硬刀具材料更為有利。
采用涂層技術(shù)
    對刀具進(jìn)行涂層處理，是提高刀具性能的重要途徑。涂層刀具是當(dāng)今高速干切削最常用的刀具。在切削過程中涂層可以取代切削液的兩大作用是：① 提供低摩擦層，取代切削液的潤滑作用；② 提供低導(dǎo)熱率層以抵抗切削熱向刀具傳播，取代切削液冷卻刀具的作用。
    涂層刀具可分為“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具。涂層刀具的基體一般是韌性較好的硬質(zhì)合金，“硬”涂層刀具是在基體上涂上一層或多層TiC、TiN、TiAlN和Al2O3之類的耐磨硬涂層，起耐熱和隔熱的熱屏障作用。這類刀具表面硬度高、耐磨性好。其中，TiC涂層刀具抗后刀面磨損的能力特別強(qiáng)，而TiN涂層刀具則有較高的抗“月牙洼”磨損能力。另一類是“軟”涂層刀具，也稱為“自潤滑刀具”，如MoS2、WS等涂層刀具。這類刀具與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01左右，能減少切削力和降低切削溫度。
    在高速干切削中，常常采用多層復(fù)合涂層刀具。把硬涂層和軟涂層結(jié)合在一起，即在一道涂覆工序中采用兩種物理氣相沉積(PVD)工藝，先產(chǎn)生硬涂層TiAlN，然后再在其上面通過采用濺射法產(chǎn)生WC/C軟涂層，可以有效提高刀具使用壽命。目前新涂層技術(shù)得到了長足的發(fā)展，如高硬度、高熱穩(wěn)定性的金剛石薄膜涂層，由多種涂層材料的不同組合構(gòu)成的納米級(jí)涂層和為被加工材料量身定做的專用涂層等。相比較而言，納米級(jí)涂層和專用涂層可以通過合理設(shè)計(jì)使刀具的硬度和韌性顯著增加，使其具有優(yōu)異的抗磨損及自潤滑性能，適合用于各種材料的干切削。
    優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)和切削用量設(shè)計(jì)的刀具結(jié)構(gòu)應(yīng)耐磨損、耐沖擊。干切削過程中刀具與切屑接觸區(qū)域的溫度升高，容易導(dǎo)致干切削刀具的月牙洼磨損失效。因此，通常干切削刀具具有大的前角和刃傾角，以減少切屑與前刀面的接觸面積，使切屑帶走大量熱量。干切削的高硬刀具材料一般都有較大的脆性，前角增大后刀刃強(qiáng)度又會(huì)降低，此時(shí)應(yīng)配合以適宜的T型刃帶、強(qiáng)化刃口以加強(qiáng)刀刃強(qiáng)度，采用適宜的負(fù)倒棱或前刀面加強(qiáng)單元來加強(qiáng)支承，分散壓力。
刀具的幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足干切削對斷屑和排屑的要求。特別是對韌性材料的加工來說，斷屑非常關(guān)鍵。目前車刀三維曲面斷屑槽的設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量，快速設(shè)計(jì)出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，大大提高切屑折斷能力和對切屑流動(dòng)方向的控制能力。在封閉空間進(jìn)行干切削(如干鉆削、干鉸削、干攻螺紋等)時(shí)，應(yīng)增大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度。
    由于高速切削加工具有切削力小、散熱快、加工過程穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在干切削的切削用量選擇中，應(yīng)盡可能采用較大的切削用量。
    2.3 高速干切削的工藝技術(shù)
    干切削和高速切削技術(shù)一樣，還不是一項(xiàng)通用技術(shù)，高速干切削技術(shù)的應(yīng)用受工藝條件、工件材料和加工類型影響，有些加工適宜采用干式切削，有些則不宜，在制定工藝時(shí)應(yīng)作具體分析。高速干切削的工藝技術(shù)還在發(fā)展中，目前已有一些成熟的加工工藝方法。
    加工鑄鐵的“紅月牙”(Red Crescent)技術(shù)。這種方法是利用陶瓷或CBN刀具進(jìn)行高速加工，聚集在刀具前端的熱量使工件達(dá)到赤熱狀態(tài)，降低了工件的屈服強(qiáng)度，達(dá)到增大切削速度和進(jìn)給速度的要求，從而大大提高了切削效率。
MQL方法。這種方法是將壓縮的空氣與少量的潤滑液混合氣化后，噴射到加工區(qū)，對刀具和工件之間的加工部位進(jìn)行有效的潤滑。MQL技術(shù)可以大大減少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質(zhì)量的作用。MQL使用的潤滑液是對人體健康無害的植物油或脂油，其用量極少，一般為0.03～0.2L/h，而1臺(tái)典型的加工中心在進(jìn)行濕切削時(shí)，切削液的用量高達(dá)20～100L/min ，是MQL潤滑油用量的6萬倍左右。
    液氮冷卻干切削和激光輔助干切削的工藝技術(shù)。液氮冷卻技術(shù)的機(jī)理是采用液態(tài)氮冷卻刀具的切削部位，吸收切削時(shí)的發(fā)熱量，始終保持刀具在干切削下的優(yōu)良切削性能，已在生產(chǎn)實(shí)踐中用于難加工材料欽合金TC4的加工。而激光輔助干切削的工藝技術(shù)是用改善工件材料被切削部位的物理力學(xué)性能、減少加工時(shí)的切削阻力來實(shí)現(xiàn)干切削的。如在對氮化硅(Si3N4)工件進(jìn)行硬車削時(shí)，采用激光束對工件切削區(qū)進(jìn)行預(yù)熱，使工件材料局部軟化，可減少30～70%的切削阻力，改善了材料的可加工性，刀具磨損可降低80 %左右。干切削過程中的振動(dòng)也大為減少，大大提高了材料的切除率，使干切削得以順利進(jìn)行。
    3 結(jié)束語
    高速干切削加工從根本上解決了切削液具有的弊端，是一種綠色加工技術(shù)，是面向21世紀(jì)的前沿制造技術(shù)。干切削技術(shù)與高速切削技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將獲得生產(chǎn)率高、加工質(zhì)量好和無環(huán)境污染等多重利益。
高速干切削加工技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)，無論在認(rèn)識(shí)觀念或技術(shù)上都還有許多困難和障礙需要克服，需要進(jìn)行長期的努力，才能使這項(xiàng)加工技術(shù)日臻成熟。