摘要：高速干切削技術(shù)是在高速加工和干切削技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項先進制造技術(shù)，是綠色制造在金屬切削領(lǐng)域的具體實施。高速干切削加工所要求的刀具、機床和輔助工藝具有一定的特殊性，是影響高速干切削技術(shù)能否得到廣連應(yīng)用的三個重要方面。
　　
　　高速切削(HSC)加工作為一種先進的切削技術(shù)，自二十世紀八十年代以來得到了日益廣泛的應(yīng)用。高速加工采用遠高于常規(guī)加工的切削速度和進給 速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時，同時還可獲得很高的加工精度。隨著高速主軸技術(shù)的發(fā)展，與其配套的新型刀具不斷出現(xiàn)，同時對高速加工工藝參數(shù)的 優(yōu)化研究也在不斷深入，使得高速切削技術(shù)的理論研究和應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。
　　
　　高速加工的主要優(yōu)點有：1、切削力降低30%左右，特別適合剛性差的零件，2、由于加工時對刀具和工件進行了冷卻潤滑，減少了切削熱對工件的 影響，特別適合加工易熱變形的工件；3、激振頻率遠遠高于機床和工藝系統(tǒng)的固有頻率，加工平穩(wěn)，振動小，加工表面質(zhì)量好；4、能極大地提高生產(chǎn)效率。但 是，高速切削采用的高壓大流量冷卻方式會增加環(huán)境污染、提高生產(chǎn)成本、減少刀具的耐用度、加大機床腐蝕等一系列問題。
　　
　　為了解決上述問題，目前采用的方法一種是改變切削液的使用參數(shù)和用量，研制新型的無污染的綠色切削液；另一種是在切削過程中停止使用切削液，采用干切削，它能從根本上徹底解決切削液帶來的問題。
　　
　　干切削技術(shù)是上世紀九十年代為適應(yīng)全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來的一項綠色切削加工技術(shù)，目前歐美、日本等工業(yè)發(fā)達國家非常重視干切削的研究，干切削技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到了生產(chǎn)領(lǐng)域，并且取得了良好的經(jīng)濟效益。
　　
　　高速切削因具有降低切削力，工件熱變形小等特點，為實現(xiàn)干切削提供了有利條件，高速干切削的目標不僅要限制或停止使用切削液，而且要保證高的 加工效率和加工質(zhì)量。但在高速干切削中，因缺乏切削液的冷卻潤滑和排屑作用，會導(dǎo)致切削區(qū)刀具與工件的摩擦加劇，切削力增大，切削溫度上升，切削振動增強 以及排屑不暢等情況，會影響機床加工性能和刀具使用壽命，降低加工質(zhì)量。因此，需要從刀具、機床和輔助工藝等方面來進行研究并優(yōu)化，使高速干切削技術(shù)能得 到更廣泛的應(yīng)用。
　　
　　一 高速干切削的刀具技術(shù)
　　
　　高速干切削的刀具要承受比濕切削更高的溫度，刀具與切屑和刀具與工件接觸面上的摩擦系數(shù)也要盡可能的小，而且還要求刀具有利于斷屑、排屑和散熱，這就需要從刀具材料、刀具涂層以及刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等幾個方面來解決。
　　
　　1. 刀具材料
　　
　　刀具材料的迅速發(fā)展是高速干切削得以實施的工藝基礎(chǔ)。高速干切削時要求刀具材料與被加工材料的化學(xué)親和力要小，必須具有良好的耐熱性，極高的 紅硬性和熱韌性。目前適用于干式加工的刀具材料有超細顆粒硬質(zhì)合金、PCD(聚晶金剛石)、CBN(立方氮化棚)、陶瓷和金屬陶瓷等。細晶粒硬質(zhì)合金特別 能承受較高的切謝溫度，具有較高的強度和沖擊韌度，適用于制作干切削的鉆頭和銑刀。 PCD(聚晶金剛石)和 CVD金剛石涂層刀片有很高的硬度和熱導(dǎo)率，適合高速干切削有色金屬(如銅合金，鋁合金)以及鈦合金和耐磨的高性能復(fù)合材料，但不能加工黑色金屬。 CBN(立方氮化硼)的硬度和耐磨性僅次于金剛石，有優(yōu)良的紅硬性、化學(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的理 想刀具材料。金屬陶瓷的硬度和沖擊性好，熱硬性差，故多用于精加工和半精加工。陶瓷具有硬度高?；瘜W(xué)穩(wěn)定性和抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，是相對廉價的 干切削刀具材料，但其強度、韌性和抗沖擊性能差，適用于灰鑄鐵和鋼的高速干切削。
　　
　　2. 刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
　　
　　于切削刀具的失效形式主要是月牙洼磨損，所以一般都采用較大的前角以減少切屑與前刀面的接觸面積。為彌補大前角對刃口強度的削弱，常配以加強 刃甚至前刀面上帶有加強筋。較大的正前角、鋒利而強有力的切削刃有利于斷屑。總之，干切削刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮斷屑和排屑的問題。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方面的設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量很快設(shè)計出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，并能大大 提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。此外，為了加速刀具的冷卻以降低切削溫度，也可采用熱管式刀具或液氮冷卻刀具。
　　
　　用液氮冷卻刀具的方法，在車刀的前刀面倒裝了一個金屬帽狀物，其內(nèi)腔與刀片的表面共同組成一個封閉的空間。帽狀物上有液氮的入口和出口。在干 切割過程中，液氮在封閉的空間內(nèi)不斷地流動，吸收刀片上的切削熱，使刀具不產(chǎn)生過高的溫升，始終保持良好的切削性能，順利實現(xiàn)于切削。
　　
　　3. 刀具涂層
　　
　　采用高速干切削，若僅僅使用目前已有的熱穩(wěn)定性好的刀具材料和優(yōu)化刀具幾何形狀，仍未能達到很好的效果。因此，采用在刀面上涂覆隔熱性好的硬 涂層和具有固體潤滑性能的軟涂層，使刀具能承受更高的切削溫度。涂層的作用一是提供了低摩擦層，減少了刀具與工件表面之間的摩擦和粘結(jié)，相當(dāng)于切削液的潤 滑作用；二是在刀具和切削之間起到隔熱作用，阻止切削熱向刀具傳播，相當(dāng)于切削液的冷卻作用。
　　
　　涂層材料可分為軟涂層和硬涂層。基于MoS和WL／C的軟涂層主要用于對涂層的滑動性能要求非常高的場合。硬涂層主要有TiN、TiCN、 TiAlN等，TiAlN具有很好的耐熱性和耐高溫性，硬度高達 3500HV，工作溫度高達799℃，而且因為添加了Al，使刀具的抗氧化性能大大提高，是高速加工和干切削最常用的材料。TiN在干切削時可作為一種“ 通用涂層”，主要用于干攻絲(鑄鐵絲推除外)，TiN涂層用在整體硬質(zhì)合金銑刀上效果很好。
　　
　　在高速干切削刀具中常常使用多層復(fù)合涂層，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工藝，先產(chǎn)生硬涂層 TIALN，然后再在其上面采用濺射法產(chǎn)生 WC／C軟涂層，可以有效提高刀具的壽命。目前新的涂層技術(shù)如高硬度、高熱穩(wěn)定性的金剛石薄膜涂層，CBN薄膜涂層，由多種涂層材料不同組合構(gòu)成的納米級 涂層等，均得到了長足的發(fā)展，其所具有的優(yōu)異抗磨損及自潤滑性能，使其更能適用于多種材料的高速干切削。
　　
　　二 高速干切削的機床技術(shù)
　　
　　由于高速干式切削加工機床不再使用切削液，必然導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)及布局的變化，主要體現(xiàn)在對機床的隔熱性能、排屑速度、洗塵效果和機床基礎(chǔ)構(gòu)件的三剛度(靜剛度、動剛度和熱剛度)等方面提出了更高要求。
　　
　　1. 高速干切削機床的機構(gòu)
　　
　　a. 選用三剛度高的高速機床
　　
　　由于高速于式切削加工過程中會產(chǎn)生更大的切削力和更多的切削熱，從而導(dǎo)致刀具與工件之間的振動以及機床的熱變形明顯增大，因此選用的機床基礎(chǔ) 構(gòu)件(如立柱、床身、工作臺等)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，而且減振效果明顯。此外，將被認為是“21世紀的新 式數(shù)控機床”、 “機床結(jié)構(gòu)的重大技術(shù)革命”的虛擬軸機床與高速干式切削加工技術(shù)結(jié)合起來，將會獲得更好的效果。
　　
　　b. 采用快速排屑布局
　　
　　應(yīng)用高速干式切削加工的要點之一是要在切屑中的大部分熱量傳人機床之前迅速將其排出。為此，可采取以下排屑方法：①高速干式切削加工機床應(yīng)盡 可能采用立式主軸和傾斜式床身，工作臺四周應(yīng)采用傾斜的隔板，這樣有助于熱切屑迅速墜入排屑槽中。②借助重力排屑。以鉆削加工為例，可改變機床常規(guī)布局， 將工件安裝在主軸下部，刀具從下向上鉆削，在重力作用下，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。③利用虹吸現(xiàn)象排屑。在鉆削加工 中，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。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)”，采用將刀 具部分罩住的結(jié)構(gòu)，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。
　　
　　c. 采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)母魺岽胧C床床身采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和材料，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)，將床身的左右兩側(cè)、頂 部和底部設(shè)計成四個相通的型腔并注入油液，即可保證整個床身具有相同的溫度。此外，機床立柱與底座等基礎(chǔ)構(gòu)件采用對稱結(jié)構(gòu)并選用熱容量小的材料，主軸采用 恒溫水冷裝置等，都能提高機床的熱穩(wěn)定性。
　　
　　采取適當(dāng)?shù)母魺岽胧?，如排屑槽用絕熱材料制造，高速切削區(qū)采用絕熱罩來隔斷熱切屑等，均可減少排屑過程中切屑傳遞給機床的熱量。
　　
　　2. 高速干切削機床的主軸
　　
　　主軸應(yīng)具有較高的轉(zhuǎn)速和較高的剛度，特別是動剛度，以適應(yīng)干切削過程中切削力增大、切削振動增強的影響，因此，通過動態(tài)優(yōu)化的高速大功率的電 主軸技術(shù)能有效適合高速于切削的要求，它采用內(nèi)藏式無外殼伺服電機直接驅(qū)動方式，消除了中間傳動鏈的影響，可以獲得較高的主軸轉(zhuǎn)速，而且還可以提高主軸的 剛度和頻率響應(yīng)，抑制或降低主軸單元在干切削過程中的切削振動，同時采用陶瓷軸承以及先進的潤滑技術(shù)，降低主軸在加工過程中的熱影響。主軸的密封技術(shù)也是 實現(xiàn)高速干切削的重要因素。目前，在高速主軸設(shè)計中，采用動態(tài)優(yōu)化的電主軸結(jié)構(gòu)，并結(jié)合通過熱平衡設(shè)計，循環(huán)內(nèi)冷卻技術(shù)和軸承的油氣潤滑技術(shù)，提高主軸單 元的動剛度和熱穩(wěn)定性。在防塵方面，采用迷宮式非接觸結(jié)構(gòu)，并結(jié)合油氣潤滑中高壓氣體(O.4MPa)，能有效防止加工中懸浮顆粒的侵入。
　　
　　3. 高速干切削機床的進給單元
　　
　　進給單元應(yīng)具有較高的剛度和較大的推力，很高的進給速度和良好的加減速特性。目前主要有“伺服電機+大導(dǎo)程的高速滾珠絲杠副”和“直流直線電 機直接驅(qū)動”。精密高速滾珠絲杠副最大的進給速度可達到50～80m／min，進給加速度可達0.5～1.5g；直線電動機直接驅(qū)動的進給單元的最大進給 速度可達到 100～200m/min，進給加速度可達3～10g。兩種進給系統(tǒng)均能滿足高速干切削加工的要求，其中直線電動機進給單元的加減速能力較強，是高速干切 削加工的理想進給方式，但直線電動機在使用中存在承載力小、易發(fā)熱等問題，有待改進。
　　
　　三 高速干切削的工藝技術(shù)
　　
　　由于在高速切削條件下，95%～98%的切削熱將被切屑帶走，切削力也可降低30%，因此，采用很高的切削速度進行加工可以取得與使用切削液 相同的效果。日本牧野公司提出“紅月牙”于切削工藝技術(shù)，其機理是由于切削速度很高，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部，使切削區(qū)附近工件材料達到紅熱狀態(tài)，導(dǎo)致 屈服強度明顯下降，從而提高材料去除率。
　　在一些機械加工中，純粹的干切削是難以實現(xiàn)的。可以采用最小量潤滑(MQL)技術(shù)(又稱準于切削)。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行有效的潤滑。 MQL技術(shù)可以大大減少“刀具一工件”和“刀具一切屑”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，使用的潤滑液也很 少，效果卻十分明顯。MQL技術(shù)使用對人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臺典型的加工中心在進行濕切削時，切削 液的用量高達20～100L/h，為MQL潤滑油用量的6萬倍左右。MQL潤滑的準干切削效果相當(dāng)好，現(xiàn)已十分流行。此外，還可在某些特殊氣體(如液氮) 氛圍中進行干切削加工和低溫冷風(fēng)于切削加工。
　　
　　4 結(jié)束語
　　
　　高速干切削加工從根本上解決了切削液帶來的弊端，不僅有利于工人的健康和環(huán)境的保護，而且可以降低加工成本，無疑是一種很有發(fā)展前途的綠色加工工藝。