切 削液传统的冷却、润滑、排屑等作用在加工过程中 得不到充分有效的发挥。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及减小生产成本的要求。干切削加工技术正是 这样的一种方法，它可较好地解决生态环境、技术与经济之间的协调与持续发展。１干切削及实施 可能性１．１干切削及其特点干切削就是在加工过程中不用任何切削液的工艺方法。它是相对于采 用切削液的传统湿式加工而言，是环境污染源头控制的清洁制造工艺。由于不用切削液，因而干切 削可以完全消除切削液带来的一系列负面效应，它具有以下特点：（１）形成的切屑干净、清洁、 无污染，易于回收和处理；（２）省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等有关装置及费用，简 化了生产系统，节约了生产成本；（３）省去了与切屑及切削液处理有关的费用；（４）不污染环 境，也不发生与切削液有关的安全及质量事故。由于具有这些特点，干切削已成为目前清洁制造工 艺研究的热点之一，并在车、铣、钻、铰、镗削等加工中得到了成功应用。１．２干切削加工的实 施可能性干切削虽然具有上述诸多优点，但由于没有切削液，其冷却、润滑及排屑作用就会丧失， 切削加工中的热量就会增加，从而导致过高的切削温度，使排屑不畅、刀具寿命变短、降低了生产 效率，并使加工表面质量变差。如何克服这些不利因素，使干切削具有湿式切削的同样效果，就成 为干切削成功应用的关键所在。而切削技术、刀具材料及刀具设计技术的发展，使干切削的实施成 为可能。（１）刀具材料的发展可使刀具（片）承受更高的切削温度，因而减少了对冷却的要求。 切削加工中切削热的产生是不可避免的，通常都要加冷却液冷却，然而采用新型刀具材料（新型硬 质合金、陶瓷、涂层刀具材料等）及选择合理的进给量和切削速度，既可承受切削过程中的高温， 进行高速切削，又可使产生的大部分热量传给切屑，即可进行干切削加工。开发适合干切削的刀具 材料是其成功应用的关键。干切削刀具材料要有优良的热硬度。常用的有特殊硬质合金、涂层材料 及某些陶瓷刀具材料。如用于干铰削的铰刀要求有锋利的刀刃，以保证加工精度及表面粗糙度要求 ，选用超细晶粒硬质合金（如ＤＫ４６００Ｆ：含Ｃｏ：８～１０％；晶粒尺寸０．３μｍ；韧性 比晶粒尺寸为２．５μｍ的普通硬质合金高６０～７０％），可满足锋利性要求，但由于月牙洼磨 损，刀具寿命很短；而采用金属陶瓷铰刀，则可满足加工质量要求，刀具又有较长的寿命，可进行 满意的干铰削。此外，用ＨＳＳ钻头加工铸铁，刀具寿命和生产效率均受限制，而对ＨＳＳ刀具进 行ＴｉＡｌＮ涂层和Ａｌ２Ｏ３涂层相结合的组合涂层，则用于铸铁干钻削，性能比ＨＳＳ钻优越 的多。除了刀具材料外，还必须选用合理的切削参数。表１为干钻削（ＤＲＹ）、准干钻削（Ｎｅ ａｒ－Ｄｒｙ）和高速钻削的切削用量选用表。在某些应用场合，利用激冷的气体及旋风喷雾器也 可降低切削温度。（２）涂层技术的发展可减小刀具─工件表面之间的摩擦，减小了切削力，降低 了对切削液润滑作用的依赖。目前，所用刀具中的４０％是涂层刀具，而且这种趋势还在不断增长 。为了优化各种加工方法，新涂层也在不断地出现。１９９５年，德国Ｇｕｈｒｉｎｇ公司介绍了 两种涂层，它们可减小钻削、铰削、攻丝及铣削加工中的摩擦。这些涂层有些像特氟隆（Ｔｅｆｌ ｏｎ），与刀具基体表面粘结性能优良，且形成的涂层表面光滑、摩擦系数小。其中第一种涂层是 基于二硫化钼（ＭｏＳ２），被称为ＭＯＶＩＣ的软涂层。在９％的硅铝合金工件上攻丝时，非涂 层丝锥（基体为含钴１０％的超细晶粒硬质合金）加工了２０个孔，ＴｉＡｌＮ涂层丝锥可加工１ ０００个孔，而ＭＯＶＩＣ图１对不同部位进行不同涂层的钻头涂层丝锥可加工４０００个孔。另 一种涂层是组合涂层，即将ＭＯＶＩＣ软涂层涂覆在某种硬涂层之上，这种涂层也在钻削钢及９％ 硅铝合金中得到了成功应用。图１则为这种涂层的钻头，软的润滑性良好的涂层涂覆在排屑部位， 而要求有一定硬度的刀尖部位则仅涂一层硬涂层。表１干钻削、准干钻削及高速钻削的切削用量工 件工件材料直径（ｍｍ）深度（ｍｍ）速度（ｍ／ｍｉｎ）进给量ｍｍ／ｒｅｖ进给量ｍ／ｍｉｎ 轴承座铸铁８．５６０ＤＲＹ１２００．２５１．１２ＨＳＣ４０００．４６．０连杆热处理钢６ ．８２０ＤＲＹ８００．１０．３７１２．６１３．５ＨＳＣ３２００．３４．５轮毂锻钢ＤＲＹ ７００．１２５０．２２ＨＳＣ３３００．５４．１７Ｍ○ＮＥＡＲＤＲＹＨＳＣ２５５０．３６ ２．２３汽缸盖Ａｌｓｉ９７．３４３０ＮＥＡＲＤＲＹＨＳＣ３４５１１４．９７其中：切削材 料为ＴｉＡｌＮ涂层硬质合金，Ｍ○是ＴｉＡｌＮ和ＭＯＶＩＣ的双涂层。图２涂层对刀具的影响 因此，涂层可以代替切削液的润滑作用，减小了对切削液的依赖，还可降低切削力，如图２所示为 加工７６％的镍基合金时，ＨＳＳ刀具与ＴｉＮ涂层ＨＳＳ的进给力比较。可以看出，在各种情况 下涂层刀具的进给力都较小。新型涂层，如金刚石（未来的ＣＢＮ）也可减小刀具／工件界面的摩 擦。由此可见，涂层技术是干切削成功应用的最关键的技术。（３）合理加工方式及刀具设计及制 造能力的提高使切屑排出容易，减小了依赖切削液排屑的作用。研究表明：切削液的润滑作用只有 １０％，其余主要作用是排屑。因此，湿式加工中排屑主要由切削液来完成，而干切削由于没在切 削液，排屑就成为一个主要问题。但随着加工技术的发展，采用合理的加工方式及刀具设计／制造 能力的提高，排屑问题也得到了逐步解决。以下是几种成功用于干切削的排屑方法：ａ．借助重力 排屑。通常钻削都是从上往下进行，切屑从孔中向上排出。但如果倒过来，将工件安装在主轴下部 ，从下向上钻削，则将产生完全不同的效果：在重力的作用下，切屑就会顺利从孔中排出，也无需 用一定压力的切削液来辅助排屑。这一思想已在美国某刹车制造厂的一条自动线的柔性加工机床上 得以实现。此外，可将工件倾斜４５°安装，机床主轴也相应倾斜４５°，从下往上钻削，此时不 能实现完全干钻削，但需要切削液的量可达最少，其处理费用也比普通钻削少得多，这种方式可称 为准干钻削（Ｎｅｏｒ－ＤｒｙＤｒｉｌｉｎｇ）。ｂ．利用虹吸现象将切屑从孔中吸出，虹吸是 利用干燥的空气吸出切屑，也无需切削液。ｃ．利用真空或喷气系统也可改善排屑条件，实现干切 削加工。ｄ．由于先进制造设备的使用，复杂刀具的设计及制造能力有了很大改善，复杂的刀具几 何结构可以解封闭空间的排屑问题，同时还可降低切削力。２干切削加工技术的应用２．１铸铁的 干切削铸铁加工通常都不用切削液，是最典型干切削加工方式，铸铁干切削目前的研究主题是如何 提高加工效率。美国ＬｅＢＬｏｎｄＭａｋｉｎｏ公司研究开发的“红月牙”（ＲｅｄＣｒｅｓｃ ｅｎｔ）铸铁干切削技术就是利用陶瓷或ＣＢＮ刀具进行高速加工。由于切削速度和进给量很高， 产生的热量很快聚集在刀具前端，使这一部分材料达到红热状态，其屈服强度下降，可大大提高切 削效率。通常，铸铁的金属切除率（车削）为１６ｃｍ３／ｍｉｎ，而采用红月牙干切削加工可使 其提高到１４９ｃｍ３／ｍｉｎ。２．２铝的干切削铝材的应用量在不断增加，特别是在汽车行业 更是如此。铝的高效干切削加工就成为必须解决的问题。美国Ｔｕｒｃｈａｎ公司研制了一种用于 开口零件平面铣削的机床，并配有获得专利的真空系统，排屑非常流畅。ＢｉｇＴｈｒｅｅ公司安 装了八台高速（１５０００ｒｐｍ）金刚石干切削加工系统，用以加工变速箱上的铝通道盘，加工 精度为０．０５ｍｍ，每小时加工６００件，与以前采用的磨削加工方法相比每年可节约经费达３ 百万美元。金刚石刀具是有色金属干切削成功应用的关键。美国ＱＱＣ公司开发了一种可使金刚石 与基体材料之间得到真正冶金结合的扩散工艺，其优点是导热系数大，热扩散快，与铝不亲合，且 可对成型刀具进行涂覆。２．３镁的干切削镁是金属中最难加工的材料之一，其具有易燃性，与切 削液中的水反应会形成氢化镁，并输放出危险的氢气，造成切削液中的水硬化。而且镁一旦受潮就 成为污染物，因此镁必须采用干切削加工技术。美国的Ｃａｒｇｉｌｐｅｔｒｏｉｔ公司正在研究 镁的干切削工艺。２．４其它材料干切削美国的ＬｅＢＬｏｎｄ发明了一种专利工艺，利用这种工 艺在切削速度高达３０５ｍ／ｍｉｎ时，可用硬质合金刀具对淬硬钢（ＨＲＣ＞５０）及钛合金进 行干车削加工。加工中产生的热量可由高压、通过主轴的气体冷却，可将切削温度降至最低，每转 中可将刀具与工件的接触限制在２５％。３准干切削干切削的应用范围目前还比较有限，而完全的 湿式加工又有诸多不足，若将两者相互结合，即可满足加工要求，又可使与切削液有关的费用降至 最低，将这种介于湿式切削与干切削之间的加工技术称为准干切削技术。由于它使用的切削液量为 最少，因而切削液供给系统简单、体积小，容易布局。如美国Ｔｈｙｅｓｓｎ公司将设计的最小润 滑系统集成在主轴电机中，其流量由ＣＮＣ程序控制，该单元在６．５秒时间内可钻削１０个８ｍ ｍ、中心距为２０ｍｍ的孔，其每小时仅用一杯润滑液，且大部分被蒸发，切屑中切削液含量大大 减小，回收处理费用大幅度下降。准干切削研究的主题是最少的切削液为多少？目前采用的研究方 法是钻削、镗削试验研究，受控变量为切削液类型、浓度、工件材料、刀具类型及几何参数、切削 参数；控制目标为表面粗糙度、刀具积屑瘤和切削力的大小。４结语干切削加工技术可从根本上解决切削液带来的不利因素，是一种很有前途的工艺方法。由于它与 诸多技术有关，若要广泛地用于生产，还有待于进一步地研究。
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