干式切削

齿轮加工工艺

干式切削是为保护环境、降低成本而有意识地不使用切削液，在无冷液条件下进行切削加工的切削加工的方法。干切削不是简单地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品质量、高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性，这就需要用性能优良的干切削刀具、机床以及辅助设施替代传统切削中切削液的作用，来实现真正意义上的干切削。

产生背景

首先，要了解切削液在传统切削过程中的作用。切削液通常是大多数机加工中不可缺少的生产要素之一，对保证加工精度、提高表面质量和生产效率具有重要作用。随着全球环境意识的增强以及环保法规的要求越来越严格，切削液对环境的负面作用也越来越明显。据统计，二十年前，切削液的费用不到工件成本的3%左右，在高生产率的生产企业，切削液的供给、保养及回收处理费用加在一起要占到工件制造成本的13%-17%，而刀具费用仅占2%-5%。在与切削液有关的总费用中，有22%左右是切削液的处理费用。据估计，如果20%的切削加工采用干式切削加工，总的制造成本可降低1.6%。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。而在加工过程中不用任何切削液的干切削正是控制环境污染源头的一项绿色制造工艺，它可获得洁净、无污染的切屑，省去了切削液及其处理等大量费用，可进一步降低生产成本。因此，未来切削加工的方向是不用或用尽量少的切削液。随着耐高温刀具材料和涂层技术的发展，使得干加工在机械制造领域变为可能。干切削(DryCutting)技术就是在这样的历史背景下应运而生，并从九十年代中期以来迅速发展起来的，其发展历史不过十年，是先进制造技术的一个前沿研究课题。

主要作用

冷却作用

带走切削产生的热量，减少刀具磨损，防止工件表面氧化。

润滑作用

减小摩擦，降低切削力，保证切削顺畅。

排屑作用

迅速带走工件表面的切屑，并防止切屑划伤工件表面。

但从环境保护方面考虑，切削液的负面效应也愈加明显，主要表现在以下几个方面：

1)加工过程中产生的高温使切削液形成雾状挥发，污染环境并威胁操作者的健康；

2)某些切削液及粘带该切削液的切屑必须作为有毒有害材料处理，处理费用非常高；

3)切削液的渗漏、溢出对安全生产有很大影响;4)切削液的添加剂(如硫、氯等)会给操作者的健康造成危害并影响加工质量。

另外，对切削过程的大量研究也表明了切削液传统的冷却、润滑和排屑等作用在很多加工过程中尤其是高速切削中得不到充分而有效的发挥。因此，人们试图不用或少用切削液来改变这种状况，以适应清洁生产工艺和减小生产成本的要求。干切削加工技术就是在这种情况下产生的一种先进加工方法。采用干切削技术不仅可以减少切削液的环境污染，改善操作者的工作条件，而且省去了切削液的相关费用，降低了切屑回收处理的成本。干切削技术对机床和刀具技术提出了更高的要求。近年来工业发达国家非常重视干式切削研究。干式切削加工这种新型加工方法是未来金属切削加工的发展趋势之一。

特点

（1）切屑干净清洁无污染，易于回收和处理

（2）省去了切削液传输，回收，过滤等装置及相应的费用，简化了生产系统，降低了生产成本

（3）省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备。机床结构紧凑，减少占地面积

（4）不会产生环境污染

（5）不会产生与切削液有关的安全事故及质量事故。

实施条件

刀具技术

（1）刀具应具有优异的耐热性能(高温硬度)与耐磨性能

（2）尽量减小刀具与切屑间的摩擦系数

（3）减少对切削液排屑作用的依赖

机床技术

切削热传出和切屑、尘埃的排出要迅速。

工艺技术

应特别注意刀具材料与工件材料间的合理匹配。

刀具材料

高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。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、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料。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，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式加工。陶瓷刀具等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削而无须冷却液。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于进行断续切削。也就是说，陶瓷刀具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，达HV3200~HV4000，仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好。采用CBN刀具加工铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。聚晶金刚石(PCD)刀具硬度非常高，可达HV7000~HV8000，热导率可达2100 W/MK，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。

涂层技术

对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。近十年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料多达15种，有的刀具在刀体上的涂层多达13层。涂层工艺也越来越成熟，随着技术的发展，现已解决了涂层与基体材料结合强度低的技术难题。涂层刀具分两大类:一类是“硬”涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。另一类是“软”涂层刀具，如:MOS2,W S等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能有效减少切削力和降低切削温度。例如瑞士开发的“MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MOS2。切削实验表明:未涂层丝锥只能加工20个螺孔;用TiAlN涂层丝锥时可加工1000个螺孔，而MOS2涂层的丝锥可加工4000个螺孔。高速钢和硬质合金经过PVD涂层处理后，可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的CBN刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合金。

实际上，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。TiAlN涂层和Mo2软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。

形状设计

干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。

国外开发了许多大前角车削刀片(如美国Carboloy公司推出的一种ME-13新型硬质合金刀片上的前角达34°)和带正前角的螺旋形刀刃铣削刀片(这种刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角，背前角或侧前角可由负变正或由小变大)，旨在减少机床的驱动功率，并通过减小切削力，降低切削温度来满足干切削时对刀具的要求。

日本三菱金属公司开发出一种适用于干切削的“回转型车刀”，该刀具采用圆形超硬刀片，刀片的支持部分装有轴承，在加工中刀片能自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有工效高、加工质量好、刀具寿命长等特点。

还有一种热管式刀具也可以获得较理想的干切削效果。它们的结构与普通车刀基本相同，所不同的是在刀杆体内部制成了热管。热管内的工作介质一般为丙酮、乙醇和蒸馏水三种。热管是一种高效的传热元件，它利用的是沸腾吸热和冷凝放热这两个最强的传热机理，热管的热导率是相当的银、铜棒的几百倍。热管刀具是一种自冷却刀具，故无需再从外部浇注切削液，尤其适合于在数控机床、加工中心和自动生产线上应用。

应用

干式切削在齿轮加工中的作用，关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法。比较成功的干式切削法有两种：高速干式切削和低温冷风切削。

高速干式

该加工方法是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。干式切削必须选用适当的切削条件。首先，采用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件间的接触时间，再用压缩空气或其他类似的方法移去切屑，以控制工作区域的温度。随着数控技术的广泛使用，机床刚性和动态性能不断提高，提高机床的切削速度并非难事。实践证明，当切削参数设置正确时，切削产生的热量80%可被切屑带走。

高速干式切削法有如下优点：首先，由于它省去了油屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，因此，机床结构紧凑。其次，这种方法极大地改善了加工环境；加工费用也大大降低。为进一步延长刀具寿命、提高工件质量，可在齿轮干式切削过程中，每小时使用10～1000ml润滑油进行微量润滑。这种方法产生的切屑可以认为是干切屑，工件的精度、表面质量和内应力不受微量润滑油的负面影响，还可以用自动控制设备进行过程监测。

高速干式切削法对刀具有严格的要求：①刀具应具有优异的耐高温性能，可在无切削液条件下工作。新型硬质合金、聚晶陶瓷和CBN等切削材料是干式切削刀具的首选材料；②切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小(最有效的方法是刀具表面涂层)，并辅以排屑良好的刀具结构，减少热量堆积；③干式切削刀具还应具有比湿式切削刀具更高的强度和抗冲击韧性。

低温冷风切削

该切削方法是一种用-10～-100℃的冷风和非常微量的植物油代替冷却和润滑油剂冷却的加工方法。它由日本明治大学的横川和彦等最先提出。研究发现，在金属切削加工过程中，如果只给加工点提供非常微量、润滑效果良好且未氧化的植物油，加工点就会因高温而丧失润滑性。若给加工点提供冷风(-10～- 100℃)，就可以防止加工点的高温化，避免上述情况发生。

冷风切削时切削性能大大提高。试验表明，冷风切削、磨削在性能方面比油剂切削、磨削提高了2倍以上。有、无植物油切削剂与冷风时的切削性能对比情况。可以看出，仅使用冷风切削就比使用植物的效果好，而冷风与微量植物油一起使用时，刀具的切削性能进一步加强。试验时的切削条件：工件直径：f92～f98mm，切削速度：45.1～48.0m/min，进给：0.5mm，切削刀具：刀尖半径R0.4，相当于SKH4高速钢，不重磨刀片。

新的硬质合金涂层方法和数控机床的使用，使圆柱齿轮制造出现新趋势：无冷却的硬质合金刀具高速切削。若工艺参数按最佳设置，可使加工时间短，刀具寿命更长。日本三菱公司、美国格里森公司等都在这方面开展了卓有成效的研究。

日本三菱公司推出了世界上第一套干式滚切系统。它采用的切削速度是传统滚切速度的)倍，可达到200m/min。干式滚切对滚刀有特殊的要求，三菱公司设计的专用干式滚刀，采用MACH7高速钢，表面涂有专用涂层，有助于散热并减少刀具损耗，其寿命可延长到一般湿切方式的5倍。这一系统在加工汽车末级传动齿轮、大型载重齿轮、汽车小齿轮及行星齿轮时效果都很理想，生产成本至少降低40%。

美国格里森公司用硬质合金滚刀在Phoenix机床上用干式切削法加工锥齿轮，与传统的高速钢刀具湿式切削法相比，降低切削时间为50%，而且齿轮的表面粗糙度显著降低和几何精度也大大提高，加工精度可达AGMA12～13级。该公司生产的GP系列滚齿机，以其独特的设计，使其干切质量能与湿切质量媲美。其床身设计成大角度斜坡，以利切屑流动。床身内部循环冷却，以利于维持热平衡。此外，机床还配有一套真空除屑除尘系统。这一系列滚齿机，滚切转速可达3000r/min。

美国费特公司(LMT-Fette)用硬质合金刀具干式滚切齿轮，使齿轮单件加工时间和成本明显降低。日本坚藤铁工所开发的KC250H型干式滚齿机，采用硬质合金滚刀、冷风冷却、微量润滑，进行高速滚齿，由于供给的是温度稳定的冷风，工件的热变形极小。它与传统的采用高速钢滚刀KA220型湿式滚齿机相比，加工速度提高了3.2倍，齿轮精度也明显提高。

技术现状

干式切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际生产工程研究会(CIRP)年会上，德国Aachen工业大学的F.Klocke教授作了“干切削”的主题报告;1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B.P.Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告，干切削技术已经在各国工业界和学术界引起广泛的关注。包括欧洲、美国和日本等工业发达国家，非常重视干切削的研究，干切削技术已经成功应用到了生产领域，这与这些国家的工业基础雄厚和环保法规特别严格有一定的关系。其中德国企业尤为普遍，在大批量生产中，已有10%-15%的加工采用干切削技术，并且取得了良好的经济效益，世界许多知名的机床厂商在他们的产品目录中都有干切削机床加工中心。日本在干切削方面也进行了大量研究，最近他们已开发成功几种不使用切削液的干式加工中心。在其中的一种机床上，装有液氮冷却的干切削系统，从空气中提取高纯度氮气。在常温下以5-6个大气压的压力将液氮送往切削区，可顺利实现干切削。

我国干切削技术的研究也已起步。成都工具研究所、山东工业大学和清华大学等单位对超硬刀具材料(如陶瓷、立方氮化硼、金刚石等)及刀具涂层技术进行过系统的研究，并取得了不少的研究成果。我国陶瓷刀具已形成了一定的生产能力，这些都为干切削技术的研究与应用提供了初步的技术基础。北京机床研究所开发成功的KT系列加工中心能实现高速干切削。但总的来说，我国在干切削理论研究方面和国外还存在较大的差距，在工业中的应用规模更小，有待于我们今后加快研究与推广应用。

发展展望

ISO和JIS14000系列标准分别于1996年制定生效，这些标准对环境管理及监测有严格的规定。它们的实施，无疑是对我国机床产品出口的又一次挑战。为提高我国产品的技术含量和工艺创新能力，在国际市场竞争中立于不败之地，开展干式切削加工技术的研究和开发是十分必要和迫切的。

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。干切削技术从出现到现在不到十年的历史，它是一种新兴的绿色制造技术。二十一世纪的制造业对绿色环保的要求越来越高，干切削技术作为一种绿色制造工艺对于节省资源、保护环境和降低成本具有重要意义。随着机床技术和各种超硬耐高温刀具材料及其涂层技术的迅猛发展以及相关工艺研究的深入，干切削技术必将在金属切削领域得到广泛的应用。

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