高速干切削：一種新型綠色加工技術(shù)

       切削加工的綠色化是制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。高速干切削是一種新型的綠色制造方式。與傳統(tǒng)的切削方式相比，高速干切削技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)，具有很大的發(fā)展?jié)摿�，是未�?lái)切削加工發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

　　高速干切削技術(shù)的產(chǎn)生

　　高速干切削的出現(xiàn)與高速切削和干切削有密切關(guān)系。高速切削具有切削效率高、切削力小、加工精度高、切削熱集中、加工過(guò)程穩(wěn)定以及可以加工各種難加工材料等特點(diǎn)。隨著高速機(jī)床、加工中心的不斷發(fā)展，切削速度和切削功率急劇提高，使得單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量大大增加，機(jī)床的切削液用量也越來(lái)越大。但高速切削時(shí)切削液實(shí)際上很難到達(dá)切削區(qū)，大量的切削液根本起不到實(shí)際的冷卻作用。這不僅增加了制造成本，還加重了切削液對(duì)資源、環(huán)境等方面的負(fù)面影響。

　　與高速切削相比，由于干切削在加工過(guò)程中不用（或微量使用）切削液，是一種對(duì)環(huán)境污染源頭進(jìn)行控制的清潔制造工藝。干切削作為一種新型的綠色制造技術(shù)，不僅環(huán)境污染小，而且能大幅度降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。作為一種環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益俱佳的切削技術(shù)，干切削已成為目前綠色制造工藝研究的一個(gè)熱點(diǎn)，并已在車、銑、鉆、鉸、鏜削等加工中得到了成功應(yīng)用。

　　而高速干切削技術(shù)是在高速切削技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合干切削技術(shù)或微量切削液的準(zhǔn)干切削技術(shù)，將高速切削與干切削技術(shù)有機(jī)地融合，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)它們的不足進(jìn)行了有效補(bǔ)償?shù)囊豁?xiàng)新興先進(jìn)制造技術(shù)。切削技術(shù)、刀具材料和刀具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，使高速干切削的實(shí)施成為可能。采用高速干切削技術(shù)可以獲得高效率、高精度、高柔性，同時(shí)又限制使用切削液，消除了切削液帶來(lái)的負(fù)面影響，因此是符合可持續(xù)發(fā)展要求的綠色制造技術(shù)。

　　生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量好、成本低

　　采用高速干切削技術(shù)加工產(chǎn)品，有以下特點(diǎn)。

　　---生產(chǎn)效率高。高速干切削的切削速度遠(yuǎn)高于常規(guī)切削。目前在實(shí)際生產(chǎn)中高速切削鋁合金的速度范圍為1500～5500m/min，鑄鐵為750～4500m/min，普通鋼為600～800m/min。切削進(jìn)給速度已高達(dá)20～40m/min。而且，高速切削技術(shù)還在不斷發(fā)展。

　　采用高速切削技術(shù)能使整體加工效率提高幾倍乃至十幾倍。傳統(tǒng)的切削加工方式為"重切削"方式，每一刀切削排屑量大（切削深度大，但進(jìn)給速度低）；而高速干切削為"輕切削"方式，采用小吃刀深度、高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度，每一刀切削排屑量小，切削深度小，但切削線速度大，進(jìn)給速度高，這樣可顯著提高工件材料切除率，切削效率高。

　　---加工質(zhì)量好。干切削是依靠刀具涂層起到潤(rùn)滑減摩作用，無(wú)論切削速度多高，涂層的前后刀面都始終在接觸區(qū)內(nèi)，所以，高速切削時(shí)更容易顯示出干切削的優(yōu)勢(shì)。盡管干式切削由于缺少切削液的潤(rùn)滑、冷卻、沖洗和排屑斷屑作用，會(huì)導(dǎo)致刀具與工件、切屑之間的摩擦加劇，切削力增大，切屑變形加劇，切削熱急劇增加，切削區(qū)溫度顯著升高，刀具耐用度降低，工件加工質(zhì)量不易保證。但可通過(guò)分析干切削的各種特定條件和影響干切削的各種因素，尋求相應(yīng)的技術(shù)解決方案及措施來(lái)彌補(bǔ)不使用切削液所造成的上述缺陷。如針對(duì)不同的工件材料和切削用量設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和相應(yīng)的斷屑槽形，以滿足干切削的加工要求；某些刀具涂層材料具有類似切削液的功能，可隔離切削熱，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持刀尖硬度和鋒利性，使刀具材料不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。應(yīng)用這些措施來(lái)保證干切削的加工質(zhì)量，使干切削加工順利進(jìn)行，達(dá)到甚至超過(guò)濕切削時(shí)的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具耐用度。

　　---生產(chǎn)成本低。濕切削加工中切削液的使用成本太高。德國(guó)汽車制造業(yè)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，把切削液的費(fèi)用和有關(guān)設(shè)備費(fèi)、能耗費(fèi)、處理費(fèi)、人工費(fèi)、維修費(fèi)、材料費(fèi)加在一起達(dá)到全部制造費(fèi)用的7%～17%，而全部刀具費(fèi)用僅為總制造費(fèi)的2%～4%，可見(jiàn)使用切削液的成本已數(shù)倍于刀具費(fèi)用。

        同時(shí)，由于排放的切削液和帶有切削液的固體物被當(dāng)作有毒材料進(jìn)行處理，大大增加了切削液的供給、保養(yǎng)和回收處理成本，在與切削液有關(guān)的總費(fèi)用中回收處理費(fèi)用高達(dá)22％。而采用高速干切削技術(shù)后由于不使用或使用最少量的切削液，加工的成本就會(huì)大幅度降低。

　　另一方面，由于在高速干切削過(guò)程中，大部分的切削熱被切屑和刀具承載，切屑被快速處理掉，而刀具卻持續(xù)承受切削熱和切削力。因此，高速干切削對(duì)刀具材料和工藝的要求很高（要求刀具有很高的紅硬性和高溫穩(wěn)定性），使刀具的成本相應(yīng)有所提高。此外，在大多數(shù)情況下，高速干切削刀具都是針對(duì)某種材料的具體工藝要求專門(mén)設(shè)計(jì)制作的，這就需要在刀具設(shè)計(jì)中融入高效冷卻手段或進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的獨(dú)特設(shè)計(jì)（如在切削發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)，刀具前刀面可加一個(gè)液氮循環(huán)冷卻裝置），這在一定程度上也增加了刀具的成本。

　　綜上所述，盡管高速干切削加工的刀具和機(jī)床成本有所增加，但由于節(jié)省了大量的切削液成本，而且切削速度提高、切削時(shí)間變短、設(shè)備利用率提高，使得綜合生產(chǎn)成本大幅度下降。

　　發(fā)展高速干切削應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)

　　目前高速干切削技術(shù)還在發(fā)展中，以下問(wèn)題尚需進(jìn)一步改進(jìn)。急需發(fā)展的技術(shù)集中體現(xiàn)在：

　　---刀具技術(shù)。刀具的性能是高速干切削能否成功實(shí)施的關(guān)鍵。高速干切削不僅要求刀具材料有很高的紅硬性和高溫穩(wěn)定性，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗黏結(jié)性。需要發(fā)展的技術(shù)主要包括刀具涂層技術(shù)、刀具材料技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)、可靠的刀具監(jiān)測(cè)裝置等。

　　---機(jī)床技術(shù)。開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的高速機(jī)床,是實(shí)現(xiàn)高速干切削的前提條件和關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)高速干切削機(jī)床時(shí)要考慮的特殊問(wèn)題主要有：設(shè)計(jì)和制造高速度、大功率的主軸單元、進(jìn)給單元和輔助裝置；切削熱的散發(fā)；切屑和灰塵的排出等。