一、前言
　　
　切削液通常是大多數機加工中不可缺少的生產要素之一，對保證加工精度、提高表面質量和生產效率具有重要作用。隨著全球環境意識的增強以及環保法規的要求越來越嚴格，切削液對環境的負面作用也越來越明顯。

   據統計，二十年前，切削液的費用不到工件成本的3%左右，目前，在高生產率的生產企業，切削液的供給、保養及回收處理費用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具費用僅占2%-5%。在與切削液有關的總費用中，有22%左右是切削液的處理費用。據估計，如果20%的切削加工采用干式切削加工，總的制造成本可降低1.6%。對環境無污染的綠色制造被認為是可持續發展的現代制造業模式。而在加工過程中不用任何切削液的干切削正是控制環境污染源頭的一項綠色制造工藝，它可獲得潔凈、無污染的切屑，省去了切削液及其處理等大量費用，可進一步降低生產成本3。因此，未來切削加工的方向是不用或用盡量少的切削液。隨著耐高溫刀具材料和涂層技術的發展，使得干加工在機械制造領域變為可能。干切削(DryCutting)技術就是在這樣的歷史背景下應運而生，并從九十年代中期以來迅速發展起來的，其發展歷史至今不過十年，是先進制造技術的一個前沿研究課題。
　　
　二、干切削技術
　　
　干式切削是一種在加工過程中不使用切削液的加工方法。干切削不是簡單地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同時，保證高效率、高產品質量、高的刀具耐用度以及切削過程的可靠性，這就需要用性能優良的干切削刀具、機床以及輔助設施替代傳統切削中切削液的作用，來實現真正意義上的干切削。首先，要了解切削液在傳統切削過程中的作用，一般切削液有三個主要作用:1)冷卻作用，帶走切削產生的熱量，減少刀具磨損，防止工件表面氧化;2)潤滑作用，減小摩擦，降低切削力，保證切削順暢;3)排屑作用，迅速帶走工件表面的切屑，并防止切屑劃傷工件表面。但從環境保護方面考慮，切削液的負面效應也愈加明顯，主要表現在以下幾個方面:1)加工過程中產生的高溫使切削液形成霧狀揮發，污染環境并威脅操作者的健康;2)某些切削液及粘帶該切削液的切屑必須作為有毒有害材料處理，處理費用非常高;3)切削液的滲漏、溢出對安全生產有很大影響;4)切削液的添加劑(如硫、氯等)會給操作者的健康造成危害并影響加工質量。另外，對切削過程的大量研究也表明了切削液傳統的冷卻、潤滑和排屑等作用在很多加工過程中尤其是高速切削中得不到充分而有效的發揮。因此，人們試圖不用或少用切削液來改變這種狀況，以適應清潔生產工藝和減小生產成本的要求。干切削加工技術就是在這種情況下產生的一種先進加工方法。采用干切削技術不僅可以減少切削液的環境污染，改善操作者的工作條件，而且省去了切削液的相關費用，降低了切屑回收處理的成本。干切削技術對機床和刀具技術提出了更高的要求。近年來工業發達國家非常重視干式切削研究。干式切削加工這種新型加工方法是未來金屬切削加工的發展趨勢之一。
　　
　三、干切削技術研究的現狀
　　
　干切削技術是為適應全球日益高漲的環保要求和可持續發展戰略而發展起來的一項綠色切削加工技術。1995年干切削的科學意義被正式確立，1997年的國際生產工程研究會(CIRP)年會上，德國Aachen工業大學的F.Klocke教授作了“干切削”的主題報告;1999年1月在美國國家科學基金“設計與制造學科”受資助者會議上，國際著名的刀具制造廠MAPAL公司的總裁B.P.Erdel博士也作了有關美國干切削發展的主題報告，干切削技術已經在各國工業界和學術界引起廣泛的關注。目前包括歐洲、美國和日本等工業發達國家，非常重視干切削的研究，干切削技術已經成功應用到了生產領域，這與這些國家的工業基礎雄厚和環保法規特別嚴格有一定的關系。其中德國企業尤為普遍，在大批量生產中，已有10%-15%的加工采用干切削技術，并且取得了良好的經濟效益，世界許多知名的機床廠商在他們的產品目錄中都有干切削機床加工中心。日本在干切削方面也進行了大量研究，最近他們已開發成功幾種不使用切削液的干式加工中心。在其中的一種機床上，裝有液氮冷卻的干切削系統，從空氣中提取高純度氮氣。在常溫下以5-6個大氣壓的壓力將液氮送往切削區，可順利實現干切削。
　　
　我國干切削技術的研究也已起步。成都工具研究所、山東工業大學和清華大學等單位對超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、金剛石等)及刀具涂層技術進行過系統的研究，并取得了不少的研究成果。我國陶瓷刀具目前已形成了一定的生產能力，這些都為干切削技術的研究與應用提供了初步的技術基礎。北京機床研究所開發成功的KT系列加工中心能實現高速干切削。但總的來說，我國在干切削理論研究方面和國外還存在較大的差距，在工業中的應用規模更小，有待于我們今后加快研究與推廣應用。
　　
　四、干切削的刀具技術
　　
　干切削技術是一項龐大的系統工程，需要從刀具技術、機床結構和工藝過程等各方面采取一系列的措施。本文將重點介紹干切削的刀具技術。
　　
　設計干式切削刀具時，不僅要選擇適用的刀具材料和采用的涂層，而且應當綜合考慮刀具材料、刀具涂層和刀具幾何形狀之間的相互兼顧和優化。不同的切削加工方式對刀具設計提出了不同要求，干式切削刀具必須滿足以下條件:1)刀具材料應具有良好的耐熱性和耐磨性;2)切屑與刀具之間的摩擦系數應盡可能小;3)刀具的槽型應保證排屑流暢、易于散熱;4)刀具應具有較高的強度和抗沖擊韌性。下面分別從刀具材料、涂層和幾何形狀三個方面討論。
　　
　1.采用新型的刀具材料
　　
　近十幾年，高硬度材料的出現，為干式切削提供了可能。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、耐熱沖擊和抗粘結性。目前應用于干式切削加工的刀具材料主要是:超細硬質合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石等超硬度材料。圖1列出了幾種刀具材料的硬度與溫度的關系。超細硬質合金可以提高普通硬質合金的韌性，具有很好的耐磨性和耐高溫性，可制作大前角的深孔鉆頭和刀片，用于銑削和鉆削的干式加工。陶瓷刀具(Al203,Si3N4、金屬陶瓷(Cennet)等材料的硬度在高溫下也很少降低，即具有很好的紅硬性，因此很適合于一般目的的干切削而無須冷卻液[1131。但是這類材料一般較脆，即熱韌性不好，故不適用于進行斷續切削。也就是說，陶瓷刀具較適合用于進行干車削而不適用于干銑削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，達HV3200～HV4000，僅次于金剛石，熱傳導率好，達1300W/MK，具有良好的高溫化學穩定性，在1200℃下熱穩定性很好。采用CBN刀具加工鑄鐵，可大大提高切削速度，用于加工淬火鋼，可以以車削代替磨削。聚晶金剛石(PCD)刀具硬度非常高，可達HV7000～HV8000，熱導率可達2100 W/MK，線膨脹系數小。PCD刀具切削時產生的熱能可以很快從刀尖傳遞到刀體，從而減少刀具熱變形引起的加工誤差。PCD刀具比較適用于干式加工銅、鋁及鋁合金工件。

　2.采用涂層技術
　　
　對刀具進行涂層處理，是提高刀具性能的重要途徑。近十年來，刀具涂層技術發展非常迅速，涂層材料多達15種，有的刀具在刀體上的涂層多達13層。涂層工藝也越來越成熟，隨著技術的發展，現已解決了涂層與基體材料結合強度低的技術難題。涂層刀具分兩大類:一類是“硬”涂層刀具，如TiN,TIC和Al203等涂層刀具。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，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，如:MOS2,W S等涂層刀具。這類涂層刀具也稱為“自潤滑刀具”，它與工件材料的摩擦系數很低，只有0.01左右，能有效減少切削力和降低切削溫度。例如瑞士開發的“MOVIC”涂層絲錐，刀具表面涂覆有一層MOS2。切削實驗表明:未涂層絲錐只能加工20個螺孔;用TiAlN涂層絲錐時可加工1000個螺孔，而MoS2涂層的絲錐可加工4000個螺孔。高速鋼和硬質合金經過PVD涂層處理后，可以用于干切削。原來只適用于進行鑄鐵干切削的CBN刀具，在經過涂層處理后也可用來加工鋼、鋁合金和其他超硬合金。
　　
　實際上 ，涂層有類似于冷卻液的功能，它產生一層保護層，把刀具與切削熱隔離開來，使熱量很少傳到刀具，從而能在較長的時間內保持刀尖的堅硬和鋒利。表面光滑的涂層還可以減少摩擦來降低切削熱，保持刀具材料不受化學反應的作用，因為在大多數高速干切削中，高溫對化學反應有很大的催化作用。TiAlN涂層和Mo2軟涂層還可交替涂覆，形成一個多涂層刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系數小、切屑易流出的優點，有優良的替代冷卻液的功能。在干切削技術中，刀具涂層發揮著非常重要的作用。
　　
　3.刀具幾何形狀設計
　　
　干切削刀具通常以月牙洼磨損為主要失效原因，這是因為加工中沒有切削液，刀具和切屑接觸區域的溫度升高所致。因此，通常應使刀具有大的前角和刃傾角，但前角增大后，刀刃強度會受影響，此時應配以適宜的負倒棱或前刀面加強單元，這樣使刀尖和刃口會有足夠體積的材料和較合理的方式承受切削熱和切削力，同時減輕了沖擊和月牙洼擴展對刀具的不利影響，使刀尖和刃口可在較長的切削時間里保持足夠的結構強度。
　　
　近幾年來，國外開發了許多大前角車削刀片(如美國Carboloy公司推出的一種ME-13新型硬質合金刀片上的前角達34°)和帶正前角的螺旋形刀刃銑削刀片(這種刀片沿切削刃幾乎有恒定不變的前角，背前角或側前角可由負變正或由小變大)，旨在減少機床的驅動功率，并通過減小切削力，降低切削溫度來滿足干切削時對刀具的要求。
　
　日本三菱金屬公司開發出一種適用于干切削的“回轉型車刀”，該刀具采用圓形超硬刀片，刀片的支持部分裝有軸承，在加工中刀片能自動回轉，使切削刃始終保持鋒利，具有工效高、加工質量好、刀具壽命長等特點。

　還有一種熱管式刀具也可以獲得較理想的干切削效果。圖2所示為熱管式車刀。它們的結構與普通車刀基本相同，所不同的是在刀桿體內部制成了熱管。熱管內的工作介質一般為丙酮、乙醇和蒸溜水三種。熱管是一種高效的傳熱元件，它利用的是沸騰吸熱和冷凝放熱這兩個最強的傳熱機理，熱管的熱導率是相當的銀、銅棒的幾百倍。熱管刀具是一種自冷卻刀具，故無需再從外部澆注切削液，尤其適合于在數控機床、加工中心和自動生產線上應用。
　　
　五、總結和展望
　　
　干式加工與濕式加工相比，不但提高了生產效率，降低了生產成本，而且有利于環保，是一種理想的、清潔的金屬切削加工方法。干切削技術從出現到現在不到十年的歷史，它是一種新興的綠色制造技術。二十一世紀的制造業對綠色環保的要求越來越高，干切削技術作為一種綠色制造工藝對于節省資源、保護環境和降低成本具有重要意義。隨著機床技術和各種超硬耐高溫刀具材料及其涂層技術的迅猛發展以及相關工藝研究的深人，干切削技術必將在金屬切削領域得到廣泛的應用