前言
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~C`I; q rt2BT) 環(huán)境和資源問題是當今和未來人類社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展需要解決的問題。隨著高速加工技術的迅猛發(fā)展，加工過程中使用的
切削液用量越來越大，雖然切削液有利于降低切削溫度、延長
刀具壽命、提高斷屑和排屑能力，但若將未經(jīng)處理的切削液直接排入江河湖海，就會破壞生態(tài)環(huán)境。此外，由于切削液的潤滑劑中含有大量亞硝胺、多環(huán)芳香烴和細菌分解產(chǎn)物，直接接觸將導致多種皮膚病、眼疾、呼吸系統(tǒng)疾病等，直接影響到操作者的身體健康。另據(jù)美國企業(yè)對加工成本的統(tǒng)計，在零件加工總成本中，切削液費用約占16%，而刀具的費用只占總成本的4%。近年來，世界各國為了貫徹環(huán)保政策、降低加工成本，大力研發(fā)及推廣應用干式切削加工技術。到2003年德國制造業(yè)將有20%以上采用干切削技術，據(jù)測算:它的總制造成本就可降低1.6%以上，干切削技術已成為
金屬切削加工的重要發(fā)展方向。本文在分析干切削加工特點的基礎上，提出了干切削對刀具、
機床等工藝過程的具體要求，討論了干切削的具體應用。
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3yiDj@a :+Okv$v 4 1 干切削加工中的刀具技術
$*N)\>~X Pp ~:e} 干切削加工是在沒有切削液的條件下創(chuàng)造具有與濕切相同或基本相近的切削條件。因此，刀具是否能承受干切削時巨大的切削熱是實現(xiàn)干切削的主要問題，一般可采取的措施有:
k*$[V17 ,5J}Wo?Q} 1.1.選擇適合干切削加工的新型刀具材料
am(jmf:: m |%ly 刀具在切削加工過程中，要承受很大的壓力，同時，由于切削時產(chǎn)生的金屬塑性變形以及在無切削液的情況下刀具、切屑、工件相互接觸表面間將產(chǎn)生更強烈的摩擦，使刀具切削刃上產(chǎn)生極高的溫度和受到很大的應力，在這樣的條件下，刀具將迅速磨損或破損，因此干式切削刀具材料應具備更高的耐熱性和熱韌性，良好的耐熱沖擊性、抗粘結性及高的耐磨性。常用的有高韌性和高硬度兼?zhèn)涞?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=納米',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_10">納米級細顆粒硬質(zhì)合金，耐熱性和高耐磨性好的粘結硬質(zhì)合金，涂層硬質(zhì)合金，陶瓷及金屬陶瓷，立方氮化硼(CBN)，聚晶金剛石(PCD)等。近年來，還在Al2O3基體中添加20%～30%的SiC晶須，它能阻擋或改變裂紋發(fā)展方向，使刀具的韌性大幅度提高，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母墒角邢骷庸び玫毒卟牧稀?
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4e`-7 s:f%= 4-7 1.2.采用涂層技術
;lU]ilYv :I/i"g7< 對刀具表面進行涂層處理實際上類似于冷卻液的功能，它可產(chǎn)生隔熱層，使熱不會或很少傳入刀具，從而能在較長的時間內(nèi)保持刀尖的鋒利和堅硬。一般應采用多層涂層，以達到最佳的熱防護，在常規(guī)涂層中TiAlN是干式加工中改善熱絕緣的首選涂層，但是常規(guī)采用的單層TiAlN涂層的附著性差，不具備最優(yōu)性能，在干式加工的動應力下，單層TiAlN有產(chǎn)生裂紋破碎的傾向，會從刀具上剝落。多層TiAlN涂層，其組織可抑制表面層從刀具基體面上碎裂，對改進性能非常有效。德國Guhring公司的Firex多層硬涂層由不同的TiN和TiAlN的超薄涂層交替構成，可得到很好的結果。
F ?*ko, hY[Vs5v 目前，滑性“軟”涂層的研究和使用是干切削刀具涂層技術的另一主要發(fā)展趨勢。第一，采用新的沉積技術將硬質(zhì)合金、鋼甚至鋁作為涂層來降低摩擦系數(shù)。第二，采用“超軟”涂層，如德國的Guhring公司開發(fā)的“Movic”軟涂層工藝，它實質(zhì)上是固體潤滑劑(MoS2)和刀具相結合后在刀具表面形成了良好的滑動表面，因此具有較好的潤滑功能，在切削加工中可使切屑與刀具排屑槽之間產(chǎn)生的摩擦最小(一般只有0.01左右)。可有效避免積屑瘤的產(chǎn)生并能減小切削力和降低切削溫度，提高刀具耐用度。試驗表明:無涂層絲錐只能加工20個螺孔：采用TiAlN涂層的絲錐可加工1000個螺孔：用MoS2涂層后可加工4000個螺孔。第三，采用軟/硬組合涂層，即先在刀具上涂上“硬”涂層(如TiN)后再在其上涂上“軟“涂層(如MoS2)，采用這種組合涂層的鉆頭在鉆削灰鑄鐵發(fā)動機缸體上的深孔時，刀具壽命高達1600min，而硬涂層鉆頭，如TiN和TiCN涂層的鉆頭壽命只有19.6min和44min。另一種很有前途的涂層新工藝叫等離子注入，它是用“射入”金屬離子的辦法有效地形成點陣結構，并可深入刀具基體內(nèi)部，這種方法能提高刀具硬度但不會改變其尺寸，這一點對精細刀具的干式切削尤為重要。
kHx 6]< `p\@b~GM 1.3.合理選擇和刃磨刀具幾何的形狀
w\(; >e@ S*9qpes-m| 干切削加工中，由于缺少了切削液的潤滑和冷卻的主要作用，因此，有效
散熱是實現(xiàn)干切削要解決的主要問題，優(yōu)化刀具幾何形狀時應滿足:第一，減小刀具和工件的接觸面積，如，麻花鉆要減小倒錐度、刃帶及螺旋角。第二，為防治和阻斷積屑瘤的產(chǎn)生要在可能形成積屑瘤的表面有最充分的潤滑。
Lcow2 SbH [ )KLmL% 此外，干式切削使刀具切削刃承受著很大的機械應力和熱應力，為增加切削刃強度在刃磨時一般宜采用油石珩磨，這可避免在干式加工的應力作用下刀具可能出現(xiàn)的裂紋，磨損及崩刃。但對于刀具基體能產(chǎn)生較鋒利的切削刃的刀具，如:超細晶粒硬質(zhì)合金及金剛石刀具只應少量珩磨。
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r]lPXj(` 2.合理選擇配置機床
WB(Gx_o3 2/4,iu(T`c 用于干切削的機床應主要考慮切削熱的散發(fā)及熱切屑和灰塵的排除。一般應盡可能采用超高速機床，這種機床95%以上的切削熱會被切屑帶走，并可降低約30%左右的切削力，工件可基本保持在室溫狀態(tài)下進行加工。除此之外，機床結構應有利于吸塵和排屑，在保證主軸、導軌等精密運動部件有良好的密封情況下，最好能采用真空吸塵裝置將懸浮顆粒及煙氣排出。若考慮到導軌防護蓋板和機床結構，斜角朝上的方法或許是更有效。
#dEMjD ML-?#jNa< 3.采用合理有效的冷卻方法
CF0i72ul5 l?J|Ip2W 干式切削就是不用切削液，利用特定的刀具及其相關加工技術獲得理想加工效果的一種加工方法。就這從根本上解決了切削液造成的負面影響，但在有些加工場合排屑極為困難，刀具和工件難以充分冷卻，潤滑條件差，嚴重影響已加工表面質(zhì)量。為解決上述問題，必要時還可采用準干式切削方式，即在加工中采用風冷或微量冷卻潤滑等方法。干式切削時，可采用噴氣冷卻系統(tǒng)，它是一種低溫切削方法，它所使用的冷卻氣體是由液態(tài)氮或其他方式在熱交換器中冷卻過的，其溫度可低達-45℃，冷卻氣體直接噴射到切削區(qū)，并可根據(jù)加工要求調(diào)節(jié)氣體的溫度、流量
參數(shù)以滿足加工要求。利用液氮的另外一種方法是間接利用，美國
標準和技術國際研究所Evans利用液氮冷卻刀桿或
夾具，用金剛石刀具切削不銹鋼時，加工表面粗糙度低于Ra0.025，并且大大減少了刀具的磨損。除此之外還可采用“切削液最小量”技術，即給切削過程很少量的切削液以達到降低切削溫度、及時排出切屑的目的。一般當機床工作在最佳條件時，切削液消耗量應在50mL/h以下，而采用正常射流冷卻時的切削液耗量可能會超過6L/min。
{ZR>`'^: wbA<G&h~ 準干式切削技術的最大好處在于，如果使用恰當，刀具、工件和切屑可保持干燥，這就避免了廢物處理的麻煩。目前，此技術多用于鑄鐵、鋼、鋁合金上進行鉆孔、鉸孔和攻絲加工以及深孔鉆削和鋁合金的端面銑削等。
#!RO,{FT FdFN4{<QZ 4.干切削加工技術的應用
tShyG! b VY]L<4BfGL 隨著刀具材料、涂層技術、刀具結構和工藝裝備的發(fā)展及對環(huán)境管理和監(jiān)測有嚴格規(guī)定的ISO和JIS14000系列標準的出臺，美國、德國、日本等國家已對干切削進行了大量的研究并應用于實際生產(chǎn)，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。為了在今后國際機械行業(yè)競爭中立于不敗之地，我國一些科研所也已經(jīng)開展并取得了一定的成果。目前，干式切削已應用于鑄鐵、鋁、鎂及鋼、高合金和鈦、鋁合金等材料的切削加工。
8sz|9~ K! e 51P 鑄鐵材料是典型的干式切削加工材料，美國LeBLond MaKino公司研發(fā)的“紅月牙”(Red Crescent)鑄鐵干式切削技術就是利用陶瓷和CBN刀具進行高速加工。由于其切削速度和進給量很高，產(chǎn)生的熱量很快聚集在刀具前端，使該處的工件材料達到紅熱狀態(tài)，其屈服強度下降，可將金屬切除率由16cm3/min提高到149cm3/min，極大地提高了切削加工效率。
w</qUOx *p=a-s5- 德國Guhring公司的M-涂層鉆頭，即在硬涂層外面再加一層軟涂層的鉆頭與采用TiAlN涂層的鉆頭在相同切削條件下壽命可提高近一倍。
lJ$j[Y *CS2nd p 日本堅藤鐵工所開發(fā)的KC250H型干式滾齒機，采用硬質(zhì)合金滾刀，冷風冷卻，微量潤滑劑潤滑，進行了高速滾齒，與傳統(tǒng)的高速鋼滾刀的濕式滾齒機(KA220型)相比，加工速度提高了2.3倍，
齒輪精度也得到了明顯提高。
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