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高速干切削加工技术

[摘要]机械加工业对环境造成的污染日益严重，通过高速干切削技术在机
械加工中的应用用来达到节约资源、保护环境的目的。

[关键词]机械加工切削液高速干切削加工技术

金属材料在切削加工过程中，切削液的使用是必不可少的，其主要作用是：
冷却润滑作用，它能吸收并带走切削区大量的热量，改善散热条件，降低刀具和
工件的温度。同时切削液能渗透到工件与刀具之间，在切屑与刀具的微小间隙中
形成一层很薄的吸附膜，减小了摩擦系数，因此可减小刀具、切屑、工件间的摩
擦；清洗和防锈作用，切削过程中产生的细小的切屑粘附在工件和刀具上，若使
用一定压力的切削液，则可将切屑迅速冲走。在切削液中加入防锈添加剂，能在
金属表面形成保护膜，使机床、刀具和工件不受周围介质的腐蚀，起到防锈作用。

切削液在机械加工中扮演着重要的角色，但随着切削液低用量的增加，其负
面影响也越来越显著：①增加了制造成本，这不仅包括切削液用量增加带来的成
本增加，还包括运输、储存、废液处理等间接成本增加；②污染环境；③损害工
人健康。为了降低生产成本，减少环境污染，最好的办法是不使用切削液，即采
用干切削(Drycutting)

干切削并非只要简单的取消冷却润滑液就可以实现的。由于在切削过程中缺
少了冷却润滑液的润滑、冷却和冲屑作用，在高速干式切削加工中，相应地会出
现以下问题：

(1)由于缺少切削液的润滑作用，高速干式切削加工中的切削力会大大增加，
刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工表面质量变差，刀具磨损加快，
刀具使用寿命缩短。

(2)由于缺少切削液的冷却作用，高速干式切削加工会在加工瞬间产生大量
热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环境会导致
形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。如不及
时将热量从机床的主体结构中排出，同样会使机床产生严重的热变形，影响加工
精度和降低工件表面质量。

(3)在高速干式切削加工某些材料(如石墨电极等)时，会产生大量粉尘．如不
能及时清除，会严重损害操作工人的身体健康，同时细微颗粒也会侵入丝杠、轴
承等机床关键部件，加大机床的磨损，影响机床的加工精度和稳定性。

(4)由于高速干式切削加工与高速湿式切削加工的切削过程有所不同，为使
机床能够稳定地完成切削过程，需要对原来高速湿式切削加工选用的切削参数作

相应修改和调整，才能应用于高速干式切削加工。

为了解决以上问题，使高速于式切削加工在规定时间内达到与高速湿式切削
加工相当(甚至更高)的加工质量和刀具耐用度，就必须对包括机床、刀具、工件
以及切削参数在内的整个工艺系统进行全面的考虑权衡，并采取相应的工艺措
施，以弥补高速干式切削加工的不足。

1、刀具

(1)刀具材料、涂层：由于干切削时会产生强烈的摩擦和极高的温度f如用
硬质合金钻头在调质钢CK45上以Vc=80m／min和f=0．2mm／min进行干切削
时，在接触区会达到380℃-4℃的高温。又如干铣钢件时温度通常会超过600℃，
所以对用于干切削的刀具干切削刀具材料必须具有极高的红硬性和热韧性、良好
的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前，用于干切削的主要有钛基硬质合金
(Cer-mets)、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料刀具、陶瓷
刀具、涂层刀具等均可较好满足干切削的要求。某些刀具涂层材料具有类似切削
液的功能，可隔离切削热，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不
易发生化学反应。其中PCBN是淬硬钢和铸铁干加工最常用的刀具材料；而氮
化硅(Si3N4)特别适合于在断续切削和铸件有砂皮情况下对铸件和球墨铸铁进行
干切削：Cermets在硬度上是介于陶瓷刀具和硬质合金之间的刀具材料，它是高
速干切削钢件的合适材料。

(2)优化刀具几何参数与结构[1]：①减少加工刀具与工件表面之间的接触面
积。如加大钻头的导程和倒锥角，以防止切屑阻塞，改善排屑性能。改进后效果
明显，钻孔能力可提高数倍。如美国Car-boloy公司把刀片制成超大正前角(+34°)
加强刃，前刀面呈多条弧形沟，以减少切屑与前刀面的接触，使切削温度大大降
低．采用常规切削速度加工时，刀具寿命可提高3-4倍。②考虑刀具表面的最大
润滑性，防止产生积屑瘤。③在高速干式切削加工时，可对细颗粒硬质合金刀具
和PCD刀具的切削刃口作微小钝化，以刀具基体的强度来保持刃口的锋锐性，
达到降低切削温度的目的。这样不但可保持刀具的优良性能，还可延长刀具的最
佳使用寿命。④在高速干式切削加工韧性材料时，断屑槽的断屑性能起着十分关
键的作用。可针对不同的工件材料和切削用量，设计相应的断屑槽结构与尺寸，
提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。在封闭