高速干式切削加工技术及其应用

高速干式切削加工技术及其应用

来源：慧聪网

1.引言

随着“21世纪绿色制造工程”的提出和实施，高速干式切削加工技术日益成为人们关注的焦点和热点。迄今，大多数金属切削加工仍是以使用切削液的湿式加工方式来进行。

切削液具有冷却、润滑、排屑、清洗、防锈等功能，并对延长刀具使用寿命、保证加工表面质量起着重要作用。但是，在切削过程中使用切削液，一方面造成了资源和能源的巨大浪费（据德国公司的统计资料，切削液使用费用占总制造成本的16%，而切削刀具费用仅占总制造成本的3%～4%）。另一方面，切削液会对环境产生较严重的污染，甚至会危害工人健康。随着全球环境保护意识的不断增强和环境保护立法的日益严格，对环境无污染的“绿色制造”被认为是可持续发展的现代制造业模式。为使金属切削加工尽可能达到绿色制造的要求，可减少环境污染、节省资源和能源的高速干式切削技术越来越多地受到人们的关注。

所谓高速干式切削加工，是指在高速机械加工中，为保护环境、降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液。高速切削加工具有以下优越性：

（1）随着切削速度的提高，单位时间内的材料切除率（切削速度、进给量和切削深度的乘积，v×f×ap）增加，切削加工时间减少，从而可大幅度提高加工效率，降低加工成本。

（2）在高速切削加工范围内，切削力随着切削速度的提高而减小，根据切削速度的提高幅度，切削力平均可减少30%以上，有利于对刚性较差的零件和薄壁零件的切削加工。

（3）高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，可带走大量切削热。切削速度愈高，带走的热量愈多（约90%以上），传给工件的热量大幅度减少，有利于减小加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。

（4）从动力学的角度，在高速切削加工过程中，切削力随切削速度的提高而降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源。转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。

（5）高速切削可加工硬度45～65HRC的淬硬钢铁件，如采用高速切削加工淬硬后的模具，可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求。

2.实现高速干式切削加工的关键技术

在高速干式切削加工中，由于切削过程缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用，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，使高速干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。

2.1 高速干式切削加工机床技术

由于高速干式切削加工机床不再使用切削液，必然导致其整体结构及布局的变化，主要体现在对机床的隔热性能、排屑速度、洗尘效果和机床基础构件的三刚度（静刚度、动刚度和热刚度）等方面提出了更高要求。

(1)选用三刚度高的高速机床

由于高速干式切削加工过程中会产生更大的切削力和更多的切削热，从而导致刀具与工件之间的振动以及机床的热变形明显增大，因此选用的机床基础构件（如立柱、床身、工作台等）的三刚度要大，如采用人造花岗岩等新材料整体制造床身，不仅三刚度好，而且减振效果明显。此外，将被认为是“21世纪的新式数控机床”、“机床结构的重大技术革命”的虚拟轴机床与高速干式切削加工技术结合起来，将会获得更好的效果。

(2)采用快速排屑布局

应用高速干式切削加工的要点之一是要在切屑中的大部分热量传入机床之前迅速将其排出。为此，可采取以下排屑方法：

①为了便于排屑，高速干式切削加工机床应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身，工作台四周应采用倾斜的隔板，这样有助于热切屑迅速坠入排屑槽中。

②借助重力排屑。以钻削加工为例，可改变机床常规布局，将工件安装在主轴下部，刀具从下向上钻削，在重力作用下，切屑可从孔中顺利排出，而无须使用带压力的切削液来辅助排屑。

③利用虹吸现象排屑。在钻削加工中，可利用干燥的空气通过虹吸作用吸出孔中的切屑，而无须使用切削液。

④利用真空或喷气系统改善排屑条件。如日本某公司开发的“洁净回收系统”，采用将刀具部分罩住的结构，利用从内部吹出的压缩空气，使切屑顺着刀具回转方向经螺旋管道排出。

(3)采用热稳定性好的结构和适当的隔热措施

机床床身采用热稳定性好的结构和材料，可将切削热的影响降到最低程度。如采用均衡温度的结构，将床身的左右两侧、顶部和底部设计成四个相通的型腔并注入油液，即可保证整个床身具有相同的温度。此外，机床立柱与底座等基础构件采用对称结构并选用热容量小的材料，主轴采用恒温水冷装置等，都能提高机床的热稳定性。

采取适当的隔热措施，如排屑槽用绝热材料制造，高速切削区采用绝热罩来隔断热切屑，均可减少排屑过程中切屑传递给机床的热量。

2.2 高速干式切削加工刀具技术

(1)开发适合高速干式切削加工的刀具材料

为了加速排屑和散热，延长刀具的使用寿命，高速干式切削加工的切削速度一般要高于普通高速加工。因此，高速干式切削加工刀具材料应具有很高的红硬性和热韧性。目前，适用于干式切削的刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、SiC晶须增韧陶瓷和纳米晶粒陶瓷材料等。

细化后的超细颗粒硬质合金具有很好的硬度、耐磨性、韧性和耐热性。普通硬质合金的平均晶粒尺寸约为2～3μm，细化晶粒的尺寸约为1～2μm，超细晶粒尺寸则在0.5μm以下。超细颗粒硬质合金适用于需要大前角的加工场合，可用于制造高速干式切削中使用的钻头、深孔钻等。立方氮化硼（CBN）材料的硬度高达3200～4000HV，具有很高的耐热性和抗化学腐蚀性，在1200℃～1300℃的高温下仍不会与铁族材料发生化学反应，非常适合对铸铁和淬硬钢等进行高速干式切削。聚晶金刚石（PCD）材料的硬度约为CBN的2倍，是最硬、最耐磨的刀具材料，其导热性好，热膨胀系数也很小，特别适合对各种铜铝合金、非金属材料和复合材料进行高速干式切削加工。PCD涂层刀具在高速干式切削加工铝合金工件时可获得良好效果。用CVD（化学沉积）工艺生产的金刚石涂层刀片适用于铣削加工铝合金。在Al2O3陶瓷基体中添加20%～30%的SiC晶须即可制成晶须增韧陶瓷材料，SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹扩展方向的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展前途的刀具材料。

(2)研究开发适合高速干式切削加工的刀具涂层

对刀具表面进行涂层处理可减小刀具与工件表面之间的摩擦，减小切削力，降低对切削液润滑作用的依赖。

目前，用于高速干式切削刀具的涂层技术主要有两类，一种是“硬”涂层，如TiN、TiC、Al2O3等。此类涂层刀具表面硬度高、耐磨性好，其中，TiC 涂层刀具抗后刀面磨损能力很强；TiN涂层刀具则有较理想的抗月牙洼磨损能力。另一种是“软”涂层，如MoS2涂层、WS2涂层等。此类涂层刀具的优点是表面摩擦系数很低（约0.01），切削时可减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，故又称为自润滑刀具。例如，瑞士开发的“MOVIC”软涂层技术在刀具表面涂覆一层MoS2。切削实验表明，在Si含量为9%的铝合金工件上进行干式攻丝加工时，普通丝锥只能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可以加工1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可以加工4000个孔。TiAlN是高速干式切削常用的涂层材料，它与基于MoS2的“MOVIC”软涂层结合使用时，可获得更好的加工效果。

(3)优化刀具几何形状

针对高速干式切削加工的特点，需要对高速干式切削加工刀具的几何形状和结构进行优化：

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Carboloy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。在封闭空间进行高速干式切削（如干式钻削、干式铰削、干式攻丝等）时，则应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。例如，德国WZL的切削试验表明，在用硬质合金钻头干式钻削回火钢时（孔深30mm，孔径11.8mm，进给速度vc=80m/min，每次进给量f=0.2mm），标准钻头只能钻削约400个孔，而经过优化设计、加宽了钻头排屑槽几何形状的钻头可钻削高达2200个孔，优势明显。

2.3 高速干式切削加工参数的选择

针对高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削热明显增大的情况，需要重新考虑权衡和合理选用相应的切削参数，以使高速干式切削加工过程的动态稳定性满足加工要求。

2.4 高速干式切削加工辅助技术

如前所述，高速干式切削时切削力大、切削温度高，尤其在对某些超硬材料进行干式加工时难度很大，因此可以采用某些特殊加工辅助技术。如在对氮化硅（Si3N4）工件进行高速干式切削时，由于该材料的抗拉强度极高，使用任何刀具都会很快破损，此时可采用激光辅助切削技术，即用激光束对工件切削区进行预热，使工件材料局部软化（抗拉强度由750N/mm降至400N/mm），这样可改善材料的可加工性，使切削力减小30%～70%，刀具磨损降低80%左右，切削过程中的振动也明显减少，材料切除率大大提高，使高速干式切削得以顺利进行。

此外，还可采用液氮冷却高速干式切削和高速准干式切削技术，其中，高速准干式切削（也称为最小量润滑技术，MQL）是目前已投入应用的一种新型切削技术。用MQL方法进行切削加工，工件和切屑可保持干燥、清洁，干净的切屑经过压缩还可回收利用，完全不会污染环境。该技术所需投资很少，但收效很大。据称，目前欧洲每年约需15000台具有最小润滑量装置的高速机床，而且需求量还在迅速增长。

3.高速干式切削加工技术的应用

高速干式切削加工技术是一种正在不断发展的新兴加工技术，随着诸多技术问题（如机床、刀具、涂层、切削参数等）的不断解决，高速干式切削加工的应用范围正进一步扩大。目前，高速干式切削加工在车削、铣削加工中的应用（尤其是铸铁材料的高速切削）已日益普遍；在钻削、铰削、攻丝、

拉削和滚齿等方面也有重大突破。

例如，德国格林公司用钛基硬质合金钻头进行高速干式钻孔时，切削速度高于200m/min，钻头装夹的同轴度小于0.01mm。该公司采用Ti（C，N）基硬质合金铰刀铰孔时，与使用刃口锋利的未涂层细晶粒硬质合金铰刀相比，铰孔表面光洁度更高，刀具寿命更长。Em https://www.360docs.net/doc/151052485.html,

target=_blank>https://www.360docs.net/doc/151052485.html, target=_blank>uge UK公司开发出了用于高速干式切削的螺纹刀具。用该刀具加工低碳结构钢时，以15m/min的切削速度干加工1000个螺孔，丝锥未发生明显磨损；加工工具钢时，将切削速度降至10m/min，也能达到同样的刀具寿命；以5m/min的切削速度在含铬量10%的镍基合金不锈钢工件上攻螺纹时，可加工1000个螺孔；以20m/min的切削速度在HT300铸件上攻螺纹时，加工超过4000个螺孔，丝锥仍未出现明显磨损。据报道，美国Leistritz Carp.生产的新型PW系列CNC旋风机床具有多个滑动刀架，能完成车削和旋风铣削复合加工。该机床在一次安装工件后，可对螺纹或螺旋形工件进行多工序的干式切削加工。该公司还开发出用CBN刀具在硬度高达62HRC的硬材料上旋风干铣削精密螺纹的新工艺。美国生产的LC82型CNC干式切削滚齿机，工作台转速可达250r/min，在重切削范围内，滚刀转速为2000r/min，驱动功率为7.5kW。Ford公司用硬质合金滚刀进行干式滚齿，加工成本可下降44%，且滚刀寿命比高速钢滚刀湿式切削提高6倍（由原来加工39000个齿轮提高到252000个）。采用细晶粒TiN、Ti（C，N）或（Ti，Al）N涂层的硬质合金滚刀干式滚齿时，切削速度可达350～400m/min。使用TiN涂层的高速钢圆拉刀干式拉削42CrMo4V 合金钢时，拉刀寿命可比未涂层拉刀湿式拉削时提高3倍。

此外，高速干式切削加工在铣削中的应用也相当广泛。例如：上海某汽车零部件加工企业在加工上海通用汽车公司别克轿车的排气管时，采用SECO 公司的Tl50M黑色涂层硬质合金刀片干式铣削铸铁排气管端面（刀盘型号R220-43-0088-5，88mm，z=5；刀片型号OFET070405TN-16；刀片涂层等级T150M；切削参数：n=1100r/min，i=1～1.2mm，vf=600mm/min），每个切削刃的切削寿命超过100件，与原来采用的另一公司的四方形陶瓷刀片相比，生产效率明显提高，且所用八角形硬质合金刀片有8个刃口，比陶瓷刀片的刃口数增加1倍，价格也更便宜，加工经济性显著改善。再如，SECO 公司开发的整体结构PCBN牌号系列中的CBN300刀片已成功运用于上海通用汽车公司新建成的发动机柔性生产线上，用于干式铣削灰口铸铁缸体平面（刀盘型号822033-0100-12CT，z=8；刀片型号SNMN090312S；切削参数：ae=80mm，ap=4～5mm，f=0.15mm，vc=1600m/min）。该刀片加工时表现出优异的切削性能，铣削速度可达1600m/min，每个切削刃的工作寿命为170件，刀具寿命为普通PCBN刀片的4倍，与陶瓷刀片相比可提高50倍，大大提高了发动机的加工效率。

4.前景展望

高速干式切削加工技术是对传统的高速湿式切削生产方式的一种革命性变革，是一种理想的“绿色制造”工艺方法，是对传统制造观念和生产方式的一种挑战，它的推广应用将在机械制造行业引起广泛而深远的影响。国外对高速干式切削加工技术的研究已相当深入，且应用范围也比较广泛。我国对此项技术的研究及开发还处于起步阶段，与国外相比有不小差距，在实际应用中也遇到许多困难和障碍，涉及到观念更新和技术攻关两个方面，需要进行长期不懈的努力。但是，高速干式切削加工代替高速湿式加工是机械制造业未来的发展趋势，相信随着高速干式切削加工技术的进一步发展和不断成熟，它必将展现出广阔而美好的发展前景。

干切削是切削加工的发展方向就在二十年前，切削液曾是非常便宜，在大多数加工过程的成本中，其所占比例不到3%。以至没有谁会对此多加注意。可是，现在不一样了，切削液在车间生产成本中所占比例上升为15%，这就不得不引起生产经营者的极大关注。特别是那些含油的切削液已经成为一项很大的支出。更重要的是它的排放污染环境，国外环保部门要监控这些混合制剂的处理。而且，许多国家和地区也把它们划归为危险废物，如果其中含有油和某些合金，还要采取更为严厉的控制措施。再有，许多高速加工工序加了切削液会产生烟雾，环保部门也限制切削液烟雾释放量要在允许范围内，职业安全和职工健康管理部门为了降低切削液烟雾排放允许值，正在考虑一项咨询委员会的建议。其中包括制定比较高的切削液的价格政策。因此，越来越多的厂家开始采用干切，以避免这笔费用和与切削液处理相关连的麻烦。

以前，金属加工行业使用切削液已形成"习惯"，所以推广干式切削的主要障碍是这种习惯势力，他们认为切削液是取得良好加工表面、，他说：想发财就去万通商联找优质帽子供货商！、提高刀具寿命所必须的。也有许多人认为变湿切为干切，费用可能会更高。其实两种看法都不对。对于多数金切件，干切应该是"标准加工环境"。在高速下干车、干铣淬硬材料不仅可能，而且更经济。关键是要知道如何正确地选择刀具、机床和切削方法。尽管切削液在有些场合还是需要的，可是研究表明：由于今天的刀具材料有了很大发展，情况也在不断的变化。新的硬质合金牌号特别是那些涂层牌号，在高速、高温的情况下不用切削液，切削效率更高。事实上，对于间断切削，切削区温度越高，越不适合用切削液。

先来看看铣削，假定切削液能克服高速旋转的铣刀引起的离心力，那它在到达切削区之前也就已经蒸发了，它的冷却效果是很小的甚至没有。而应用切削液刀具会产生温度的激烈变化，铣刀刀片自工件切出时冷却，再切入时温度又上升。尽管在干切削时也有类似的加热和冷却循环产生，但是加了切削液这种温度变化要大得多。温度急剧变化在刀片中产生应力，会导致裂纹的产生。类似的情况在车削中也会出现，例如用非涂层硬质合金，在速度高于130m/min时，车削中碳钢，刀尖切入工件不到40秒，然后暴露在冷却液中，就能很明显地表现出热冲击的损害。这种热冲击加快了月牙洼磨损和后面磨损，从而大大地缩短刀具寿命。对于大多数车削加工，干切通常能延长刀具寿命。然而，对于钻削则是另一种情况。钻削时切削液是必要的，因为它提供了润滑和从孔中冲出切屑。没有切削液，切屑可能粘在孔内，并且表面粗糙度平均值(ra)可能达到湿钻时的两倍。在这种情况下，切屑液也能减少所需的机床扭矩，因为钻头边缘上与孔壁接触的点得到润滑。尽管涂层钻头也能够起到类似切削液的润滑效果，涂层还能减少切削力并能使磨擦阻力趋向最小。

从总的效果来看，目前还不能完全代替切削液。用哪种型号的切削液要根据具体情况，润滑性切削液用于低速加工难加工材料以及表面粗糙度要求较高时比较好。而冷却能力较高的切削液，可以增强易切削材料高速加工性能，可以用于有产生积屑瘤倾向或有严格的尺寸公差的情况下。可是许多时候用了切削液取得了某些效果，但它需要很高的额外费用，也带来非常有害的环境污染，这是不值得的。应该看到，现代的切削刀具能承受更高的切削热，具备高速切削所需的性能。必要时可以用压缩空气从切削区吹走热的切屑，以取代切削液。在干式切削中刀具材料的选用1高速干式切削最好的涂层是氮铝钛。

随着中国汽车工业的高速发展，汽车产品更新换代的速度也在不断加快，汽车生产方式也发生了根本改变，既要实现多品种的混流生产，又要追求高效率带来的规模效益。那种单一品种、大规模的生产方式和多品种、小规模的生产方式已不再适应市场竞争的需要，而多品种、高效率的规模生产逐渐成为汽车制造业发展的趋势。以加工中心为主体的多品种高效率的柔性生产线成为汽车制造业投入的优先选择，高速、高效、高稳定性、低成本的生产成为企业追求的目标。实践证明：合理应用刀具，会起到事半功倍的效果。

刀具应用应转变观念

1、不片面追求好的刀具，应力求用好刀具

没有最好的刀具，只有适合的，刀具的优劣是相对的，刀具的切削效果关键在于应用。好的刀具应用不当不会有好的结果，差的刀具如应用合理也会取得满意的效果。比如，曾经有一个世界一流刀具制造商的销售工程师为庆铃提供一款可转位刀片来试用，其效果还不如现在使用的刀片，你能说这刀片不好么？冲着它的品牌你也，他说：想发财就去万通商联找优质帽子供货商！也不能下这个结论。又如，我们用重庆一家名不见经传的泰蒙公司的一款Al2O3DNMA150408替代进口的金属陶瓷刀片，用于球墨铸铁的平面车削，平面中均布6个孔，试切前我们对车刀体的夹压方式进行了改进，对刃口进行处理，并调整了切削参数，结果刀具的使用寿命较原金属陶瓷刀片提高了80%，节拍缩短了20%，而刀片价格仅为原刀片的50%。

2、正确理解高速、高效、高稳定性和低成本的关系

在四者的关系中，高速是手段，高效是目的，高稳定是生命，低成本是追求的目标。高速切削是一把双刃剑，它给人们带来一种全新的高效生产方式，同时，它对设备、工艺、刀具、刀具夹紧系统等都有很高的要求，因此前后期的投入相对较高。高速切削中，很多条件都处于极限边缘，它的稳定性会成为一个主要问题，尤其是设备使用的中后期，精度下降时反映较明显。因此，不能为高速而高速，如果不用高速切削以达到高效的目的，应毫不犹豫地放弃高速切削。如果须用高速切削，刀具和夹紧系统重点应放在稳定上，不仅是刀辅具，整个制造系统的稳定都是非常重要的。

抓好项目配刀和现生产刀具的优化两个环节

1、新项目配刀

新项目配刀是刀具应用的一个非常重要的环节，它对应用的效果、前期投入、后期的使用成本以及刀具的管理都至关重要。人们关注的是质量的稳定、生产效率和前期的投入，往往忽视了刀具的后期使用成本和刀具管理，这点应引起重视，因设备的投入是一次性的，而刀具的消耗是长期的，产量越大消耗越多。

2、对现有生产刀具的优化

刀具优化是一项长期工作，它主要针对以下三方面开展工作：

（1）解决生产瓶颈问题，主要是采用一些先进，提高其切削用量，达到缩短节拍的目的。

（2）解决生产质量的薄弱环节，主要是针对影响质量波动的原因选择合适的刀具，使生产过程中质量稳定。

（3）降低刀具消耗，针对价值高和消耗量大的，纳入国产化或优化工作。（来源：五金工具论坛）

干式切削加工技术及其应用

制造业是产生工业污染的主要来源之一，其中传统加工所使用的切削液给环境造成了严重的污染。随着人们对环境保护的日益重视，尤其是环境保护法规的严格实施，对制造业产生的环境污染提出了更高的要求。一种能减少对环境污染、节约资源和能源的绿色制造技术——干切削加工技术，越来越受到人们的重视。近年来，许多发达国家在工厂条件允许的情况下正积极地采用干式切削加工技术，以达到减少切削加工

的润滑污染、降低加工成本的目的。

1 干式切削加工相关技术

干式切削加工技术是在无冷却或少许润滑油、剂的条件下，采用高切削速度进行切削加工的方法。在于式切削条件下，失去切削液、冷却、清洗、排屑的作用，切削条件非常恶劣。在切削区域会产生大量的切削热将无法及时的散发，温度和切削力大幅度上升，摩擦力增大，刀具磨损加快，生产效率降低。因此要使干式切削加工工艺得到很好地推广，充分发挥其优势，克服其缺点，就必须要很好地解决干式切削加工相关地技术难题。

1.刀具结构

干式切削刀具应满足以下要求：

1.刀具材料应有良好的耐热性和耐磨性；

2.切屑及刀具之间的摩擦系数要尽可能小；

3.刀具的结构要保证排屑流畅与散热；

4.刀具应有高的强度和抗冲击韧性。

刀具结构为了保证干式切削对断屑、排屑及自冷却的要求，必须对刀具结构和几何参数进行优化。如：

5. 在切削力较小的情况下，可采用大前角和大圆度切削角；

6. 采用负前角或前后刀面凸起，以延缓月牙哇对刀刃的损伤；

7. 增大负刃倾角，改善刀刃及刀头的切入状态，提高刀具的抗冲击和抗热震能力。

图1 为热管式车刀结构、图2为热管式铣刀结构。其结构特点是在车刀的刀

体和铣刀的每个刀齿内部制成空心的热管，配以冷气系统，可把大量的切削热量带走。图3为德国TITEX 公司开发的干式深孔钻头“ALPHA22”钻尖结构。该钻头刀刃经过专门优化设计，以减少刀具与工件间的接触强度。

刀具材料

图1 热管式车刀

图2 热管式铣刀

图3 ALPHA22钻尖结构

近几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是：超细硬质合金、陶瓷刀具、金刚石与氮化硼等超硬度材料。

1.超细硬质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可用于制作大前角的深孔钻头、刀

片作铣削和钻削的干式加工。

2.立方氮化硼(CBN)材料的硬度高，达3，200～4，000HV，仅次于金刚石、热传导率好，达1，300W/MK、具有良好

的高温化学稳定性，在1，200℃下热稳定很好。采CBN刀其用于加〔铸铁，可大大提高切削速度、用于加工粹火

钢，可以以车削代替磨削。

3.聚晶金刚石(PCD)刀具硬度高，可达7，000～8，000HV，热导率可达2，100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切

削时产生的热能很决从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具适用于干式加工铜、铝及

铝合金工件。

4.涂层硬质合金刀具很适合干式切削加工。涂层的作用主要是在刀具与切削材料之间形成隔热层，抑制切削的热冲击，

减少摩擦系数，减少刀具的磨损。刀具涂层厚度为1～5μm。涂层的材料有TiC，TiAlN，TiCN等，其中TiAlN

具有较好的耐热性能和高温性能，其高温连续切削性能是TiC涂层的4倍，高温硬度高于TiN。表1是SECO公司

用涂层刀具进行干式铣削的情况。

低温冷风切削

低温冷风切削的概念是由日本人横川和尹首先提出来的是一种在-10～-100℃冷风冷却和非常微量的植物油润滑条件下进行干式切削的技术。有关研究表明，在刀具表面涂一层薄薄的植物油，在切削加上点进行低温冷风冷却，其干式加工的效果很理想。如，在切削条件为：工件直径：?92～?98mm；切削速度45.1～48.Om/min；进给O.5mm；切削余角：45°；刀具：刀具半径RO.4mm，SKH高速钢不重磨刀片的试验结果：以刀具后刀面磨损宽度达0.2mm为评价严重磨损的指标的话，完全干式切削时刀具切削长度为1000mm、只供给Acc-Lube精密润滑油的刀具切削长度为1500mm、只用-12℃的冷风，切削长度为2000mm、在供给-12℃冷风的同时，在切削部位注入1ml/h的Acc-Lube精密润滑油，切削长度为4000mm。

气

雾润滑切削

气

雾

润

滑

是

采

用

一

定

的

喷

射冷却装置，将冷却液雾化为毫米级的气雾，不断喷射到刀具表面进行润滑的切削加工。其工作原理是把冷却液通过喷射装置与

空气充分混合，并且，在高压下通过多孔喷射出内喷嘴形成冷却循环、外喷嘴形成气柱，对刀具进行冷却与润滑。该方法能节约

大量的冷却液，其冷却液用量在50ml/h以下。在钢加工和孔深为5倍以上的孔加工中采用此办法效果很好。

2 干式切削加工的应用

在一般的切削加工中，由于切削力和金属变形将在切削区产生很高的切削热，必须用冷却润滑剂对刀其进行冷却。但是，如果采

用上述技术措施，如，改进刀具材料与结构、改变冷却形式、及时排除切屑等，完全能实现干式切削加工。如美国Makino公司的

“红月牙”干式加工技术，该技术采用高切削速度和大进给加工铸铁，使热量很快聚集在切削刀具前端，刀具前端形成红热状态，

工件加工区域形成370℃左右的高温，此时，工件的屈服强度减小，从而使切削效率大大的增大在通常情况下，加工铸铁的切削速

度为914～1219m/min、切除率16cm3/min而采用“红月牙”干式切削工艺切削速度将能达到1828～3048m/min，切除率达49cm3/mi

n。与此同时由于工件的屈服强度、切削阻力减小提高了主轴入口的夹紧力，简化了复杂工件的加工过程。如，LeBlong公司在一

台加工中心上仅用三种夹具就完成了V8缸体的全部加工，取代了26工位的传输线。

3 结束语

干式加工与湿式加工相比，不但提高了生产效率，降低了生产成本，而且有利于环保，是一种理想的，清洁的金属切削加工方法。

我国的干式切削加工技术同国外相比还有较大的差距，随着干式切削加上技术在我国金属切削加工中的推广，尤其是在车削铣削

中的广泛应用，必将提高我们的切削加工效率，降低生产成本、提高零件的切削加工质量。