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0 前言
高速切削加工因具有增進生產效率、減少切削力、提高加工精度和表面質量、降低生產成本，且可加 工高硬材料等諸多優點，已在航空、汽車、模具等製造業界得到 廣泛應用，並取得了顯著的經濟效益。在高速加工中，通常都大量使用切削液，以發揮其潤滑、冷卻、排屑作用。但隨著綠色製造、清潔製造等生產理念的成熟，人 們越來越清醒地意識到大量使用切削液所帶來的負面影響：①零件的生產成本大幅度提高。有統計數據表明，在零件加工總成本中，切削液費用約占16%，而刀具 費用只佔總成本的4%。②造成對環境的嚴重污染，破壞生態環境，不利於可持續 發展戰略的實施。③直接危害車間工人的身體健康。
為提高產品競爭力，實現經濟效益與社會效益的統一，本研究探討將高速切削加工和干切削技術有機結合的高速干切削技術，對於實現綠色製造及指導業界的生產，具有重要的現實意義。
1 高速干切削技術的內涵
在所見論述干切削技術的文獻中，干切削技術通常都是指不使用切削液來 進行切削加工的技術方法，是相對於傳統的使用切削液加工(濕加工)方法而言的。筆者認 為這只是狹義上的干切削技術，今天更應該從廣義上來理解干切削技術：只要是在加工過程中不使用切削液或很少使用切削液，加工出的工件和形成的切屑是乾燥 的、「乾淨」(清潔)的且能保證加工質量的方法就應歸人干切削技術範疇。如採用最小量潤滑技術(Minimal Quantity Lubrication)法加工時，工件和切屑可保持乾燥，過去稱之為「准干切削」(Near-Dry cutting)，實際上從廣義來說，可認為其屬於干切削範疇。所以高速干切削技術可表述為：高速干切削技術是使用高速切削加工方法，在切削過程中不使用 切削液或使用微量切削液，加工出的工件和形成的切屑是乾燥的、「乾淨」(清潔)的高精度、高效率的先進加工技術。
2 高速干切削技術實現方法
要實現高速干切削技術，就要研究用相關的技術手段在加工過程中復 現、替代切削液的潤滑、冷卻、排屑的功用，以消除因缺少切削液而產生的刀具與工件、切屑之 間摩擦的增加，以及由此引起的刀具壽命下降、工件加工質量變差等問題，從而順利進行干切削加工，達到或超過濕加工時的生產率，並提高加工質量、刀具耐用 度。這些可以從包括機床、刀具、工藝等在內的幾個方面來實現。
2.1 高速干切削的機床技術
從機床技術角度出發實現高速干切削技術，主要考慮的問題是：①切削熱迅速散發；②切屑和灰塵的快速排出；③採用不同的工藝方法時輔助設備的安裝等。
2.1.1 採用高速機床
高速加工能使切削力降低30%左右，90%以上的切削熱由切屑帶走， 工件可基本保持室溫狀態，特別適合加工後容易熱變形的工件。並且激振頻率遠高於機床和 工藝系統的固有頻率，加工過程平穩，振動小，銑削和車削可達到磨削的質量水平。高速加工的這些優點可彌補干切削的一些不足，二者的有機結合可實現高效、優 質、無污染的加工。這也正是使用高速干切削技術的初衷。
2.1.2 機床結構排屑裝置設計
實現快速排屑結構設計的最可靠的方法之一就是改造機床結構， 使切屑能利用自身重力自動、快速地排出。這種方法只需要在原機床結構的基礎上進行改造，在機床 工作間內預留出一定的排屑空間，去除工作間內容易滯留切屑的平台或溝槽。或者直接把原來普通機床的主軸、刀架改為立式佈置，也能實現快速排屑，這樣工件在 切削時就被倒置在工作間裡，切屑被切離工件後自然落下。這種結構上的改造不但能可靠地實現快速排屑，而且幾乎不增加機床的造價，因此得到了廣泛、迅速的應 用。
干切削會比傳統切削產生更多的灰塵和細小切屑，這些灰塵和細小切屑一旦進人機床運動副，會加劇機床部件的磨損，若進人機床電氣控制線路，則 可能造成短路。 所以應對機床主軸、導軌等精密運動部件進行密封，必要時設計真空、吹氣或虹吸裝置來排塵及輔助排屑，以保證切削過程的順暢。
2.1.3 遵循模塊化設計原則
由於加工方法和工件特性的差異，進行干切削加工時可能需要用到 不同的輔助設備(如MQL技術中的噴油潤滑裝置、激光輔助加工中的激光輔助裝置等)。所以機 床結構應實行模塊化設計，將各種輔助裝置與機床主體之間的接口標準化，使機床能方便地實現不同的工件與切削方法的組合。
2.2 高速干切削的刀具技術
由於不使用切削液，干切削的切削區失去了切削液冷卻、潤滑，干切 削時的切削溫度比普通濕切削時的切削溫度要高很多，刀具與切屑間的摩擦增大，加劇了刀具的 磨損。刀具能否承受干切削時巨大的熱能，是實現干切削的關鍵。只有採用高熱剛度、高硬度、高衝擊韌性的刀具材料，結合塗層技術以及對刀具參數和切削用量進 行優化，才能夠可靠地實現高速干切削。
2.2.1 採用性能優越的刀具材料
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、耐熱衝擊和抗粘結性。超細顆粒硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷(AL*2O*3, Si*3N4 ) 、立方氮化硼(CBN),聚晶金剛石(PCD)等都具有較高的紅硬性和耐磨性，是目前應用最為普及的幾種干切削刀具材料在選用這些刀具材料時，應與加工材 料的性質、加工方法結合起來綜合考慮。
超細顆粒硬質合金特別能承受較高溫度的切削，具有較高的強度和衝擊韌度，適用於製作干切削用的鑽頭和銑刀。金屬陶瓷的硬度和衝擊性好，但熱 硬性差，大多用 於精加工和半精加工。陶瓷具有硬度高、化學穩定性和抗粘結性好、摩擦係數低等優點，是相對廉價的干切削刀具材料，但其強度、韌性和抗衝擊性能差，適用於灰 鑄鐵和鋼的高速干切削。CBN的硬度和耐磨性僅次於金剛石，有優良的紅硬性北學穩定性和低摩擦係數，是高速干切削HRC50以上淬硬鋼和冷硬鑄鐵等黑色金 屬時的理想刀具材料。PCD刀具有很高的硬度和熱導率，適合高速干切削有色金屬合金(如銅合金、鋁合金以及欽合金)與纖維增強塑料等複合材料，但不能加工 黑色金屬。
上述材料又大都有脆性比較大的缺點，但是於切削相對於傳統濕切削而言，消除了由於切削液使用不連續或冷卻不均造成的熱衝擊，因此對使用這些脆性較大的超硬刀具材料更為有利。
2.2.2 採用塗層技術
對刀具進行塗層處理，是提高刀具性能的重要途徑。塗層刀具是當今高速干切削最常用的刀具。在切削過程中塗層可以取代切削液的兩大作用是：①提供低摩擦層，取代切削液的潤滑作用；②提供低導熱率層以抵抗切削熱向刀具傳播，取代切削液冷卻刀具的作用。
塗層刀具可分為「硬」塗層刀具和「軟」塗層刀具。塗層刀具的基體一般是韌性較好的硬質合金，「硬」塗層刀具是在基體上塗上一層或多層 TiC,TiN, TiAIN和AL*20*3之類的耐磨硬塗層，起耐熱和隔熱的熱屏障作用。這類刀具表面硬度高、耐磨性好。其中，TiC塗層刀具抗後刀面磨損的能力特別 強，而TiN塗層刀具則有較高的抗「月牙窪」磨損能力。另一類是「軟」塗層刀具，也稱為「自潤滑刀具」，如MoS2,WS等塗層刀具。這類刀具與工件材料 的摩擦係數很低，只有0.01左右，能減少切削力和降低切削溫度。
在高速干切削中，常常採用多層復合塗層刀具。把硬塗層和軟塗層結合在一起，即在一道塗覆工序中採用兩種物理氣相沉積(PVD)工藝，先產生 硬塗層 TiAIN，然後再在其上面通過採用濺射法產生WC/C軟塗層，可以有效提高刀具使用壽命。目前新塗層技術得到了長足的發展，如高硬度、高熱穩定性的金剛 石薄膜塗層，由多種塗層材料的不同組合構成的納米級塗層和為被加工材料量身定做的專用塗層等。相比較而言，納米級塗層和專用塗層可以通過合理設計使刀具的 硬度和韌性顯著增加，使其具有優異的抗磨損及自潤滑性能，適合用於各種材料的干切削。
2.2.3 優化刀具結構和切削用量
設計的刀具結構應耐磨損、耐衝擊。干切削過程中刀具與切屑 接觸區域的溫度升高，容易導致干切削刀具的月牙窪磨損失效。因此，通常幹切削刀具具有大的前角和 刃傾角，以減少切屑與前刀面的接觸面積，使切屑帶走大量熱量。干切削的高硬刀具材料一般都有較大的脆性，前角增大後刀刃強度又會降低，此時應配合以適宜的 T型刃帶、強化刃口以加強刀刃強度，採用適宜的負倒稜或前刀面加強單元來加強支承，分散壓力。
刀具的幾何參數和結構設計還應滿足干切削對斷屑和排 屑的要求。特別是對韌性材料的加工來說，斷屑非常關鍵。目前車刀三維曲面斷屑槽的設計製造技術已經比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量，快速設計出 相應的斷屑槽結構與尺寸，大大提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。在封閉空間進行干切削(如干鑽削、干鉸削、干攻螺紋等)時，應增大刀具的容屑 槽空間和背錐的錐度。
由於高速切削加工具有切削力小、散熱快、加工過程穩定性好等優點，在干切削的切削用量選擇中，應盡可能採用較大的切削用量。
2.3 高速干切削的工藝技術
干切削和高速切削技術一樣，還不是一項通用技術，高速干切削技術的應用受工藝條件、工件材料和加工類型影響，有些加工適宜採用干式切削，有些則不宜，在制定工藝時應作具體分析。高速干切削的工藝技術還在發展中，目前已有一些成熟的加工工藝方法。
(1) 加工鑄鐵的「紅月牙」(Red Crescent)技術。這種方法是利用陶瓷或CBN刀具進行高速加工，聚集在刀具前端的熱量使工件達到赤熱狀態，降低了工件的屈服強度，達到增大切削速度和進給速度的要求，從而大大提高了切削效率。
(2) MQL方法。這種方法是將壓縮的空氣與少量的潤滑液混合氣化後，噴射到加工區，對刀具和工件之間的加工部位進行有效的潤滑。MQL技術可以大大減少「刀具 ——工件」和「刀具——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量的作用。MQL使用的潤滑液是對人體健康無害的植物油 或脂油，其用量極少，一般為0.03 -0.2 L/h，而1台典型的加工中心在進行濕切削時，切削液的用量高達20 -100 L/min，是MQL潤滑油用量的6萬倍左右。
(3) 液氮冷卻干切削和激光輔助干切削的工藝技術。液氮冷卻技術的機理是採用液態氮冷卻刀具的切削部位，吸收切削時的發熱量，始終保持刀具在干切削下的優良切削 性能，已在生產實踐中用於難加工材料欽合金TC4的加工。而激光輔助干切削的工藝技術是用改善工件材料被切削部位的物理力學性能、減少加工時的切削阻力來 實現干切削的。如在對氮化硅(Si*3N*4 )工件進行硬車削時，採用激光束對工件切削區進行預熱，使工件材料局部軟化，可減少30 -70%的切削阻力，改善了材料的可加工性，刀具磨損可降低80%左右。干切削過程中的振動也大為減少，大大提高了材料的切除率，使干切削得以順利進行。
3 結束語
高速干切削加工從根本上解決了切削液具有的弊端，是一種綠色加工技術，是面向21世紀的前沿製造技術。干切削技術與高速切削技術的有機結合，將獲得生產率高、加工質量好和無環境污染等多重利益。
高速干切削加工技術是一項系統技術，無論在認識觀念或技術上都還有許多困難和障礙需要克服，需要進行長期的努力，才能使這項加工技術日臻成熟。
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