| 乾式切削可避免切削液對生產和生態環境帶來負面影響，是極具發展潛力的新工藝。本期特輯重點報導實現乾式切削的關鍵技術和應用，並在“生產應用”版塊中介紹一些廠商的先進產品。 |
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| 葉偉昌系淮陰工學院機械工程學院教授。 |
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專家講壇
高速乾式切削：高效、優質、無污染的金屬切削加工
葉毅 (南車集團戚墅堰工藝研究所高工)
葉偉昌(淮陰工院機械工程系教授)
由於全球環境意識的增強及環境保護立法的要求日益嚴格，對環境無污染的綠色製造被認為是現代製造業可持續發展的模式。而發展乾式切削（以下簡稱“乾切削”）工藝，即加工時不採用切削液，是進一步降低產品成本、以及防止帶有切削液的切屑中油污對環境污染的最有效措施。它是從環境污染源頭控制的一項綠色製造工藝，因此受到了高度重視。
據統計，在高生產率的工業部門，切削液及其供給、保養和回收處理費用加在一起要佔到工件製造成本的13%-17%，刀具費用僅佔2%-5% ，在與切削液有關的總費用中，有22%左右是切削液的處理費用，而採用乾切削就能節省這部分開支。
葉毅系南車集團戚墅堰工藝研究所無錫開發部經理、高工。
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但同時也應注意到，乾切削由於喪失了傳統濕式加工中切削液具有的冷卻、潤滑與排屑等作用，加工熱量會因此增加。切削用量愈大，切削區域內溫度也愈高，從而導致刀具壽命變短，生產效率降低，並使加工表面質量變差。
而近十幾年來發展的高速加工証明，其切削力可比常規切削降低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，特別適於加工容易熱變形的工件。而且，激振頻率遠高於機床和工藝系統的固有頻率，切削過程平穩、振動小，可使銑削和車削達到磨削的質量水平。高速加工的這些優點恰可彌補乾切削的一些不足，二者的有機結合可實現高效、優質、無污染的加工。因此，高速乾式切削是未來金屬切削加工發展的趨向。
實現乾切削的關鍵—刀具技術
高速乾切削除應配備高速、高剛性的金屬切削機床外（機床應具有吸塵、排屑等裝置），還需採用先進的刀具結構和材料，優化的切削用量，以及合理的加工方式才能實現。其中，刀具技術是實現高速乾切削的關鍵技術。
乾切削用的刀具須比濕式切削刀具能承受更高的切削溫度，同時要求刀具與切屑、以及刀具與工件接觸區界面上有更小的摩擦系數，以解決傳統濕式切削時刀具對切削液的冷卻、潤滑與排屑作用的依賴。因此，不可能只通過選擇合適的刀具材料來用乾切削加工，或者只用塗層方法使傳統的刀具變成乾切削加工刀具。刀具設計時需綜合考慮刀具幾何參數和結構、刀具材料和塗層之間的相互兼顧與匹配。
1. 採用先進的刀具材料
高速乾切削對刀具材料最突出的要求是，既要有高硬度和高溫硬度，又要有足夠的斷裂韌性。為此，須選用細晶粒和超細晶粒的塗層硬質合金、陶瓷、聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）等刀具材料。
上述材料各具特色，適應的工件材料和切削速度範圍也都不同。例如，乾切削鋼料時宜選用熱穩定性和抗疲勞性好的P類塗層硬質合金（如YT05，YT707等牌號）、TiC基及Ti(C，N)基塗層硬質合金、切削陶瓷、PCBN、以及六方氮化硼（HBN）和CBN的複合材料（WBN）等。乾切削鑄件粗加工可採用細晶粒的K類（K10，K20）塗層硬質合金，精加工可用複合氮化矽陶瓷（如FD02，FD03，TP4，SC3等牌號）或PCBN複合片。用PCBN切削珠光體鑄鐵比用TP4和SC3複合氮化矽陶瓷要好，它能獲得更細的表面粗糙度。切削矽鋁合金和銅合金等有色金屬、玻璃纖維和碳纖維等工程複合材料時，可採用PCD或CVD金剛石膜塗層刀具。PCD適於粗加工及要求刀具有較高斷裂韌性的場合，後者可採用比PCD更高的切削速度。
2. 對刀具表面進行塗層處理
塗層作為一個化學屏障和熱屏障，它具有很高的硬度和耐熱性，並能減少刀具與切屑以及刀具與工件接觸區之間的摩擦。切削加工可以不使用切削液的原因之一，就是對刀具表面進行了塗層處理。
不同塗層材料的鑽頭在鋼及鋁件上鑽孔時切削行程長度的對比 |
通過塗層將刀具和切削材料隔離，實現“固體潤滑”以替代濕式切削時切削液的“液體潤滑”來減少摩擦和粘結，使刀具吸收熱量減少，能承受較高的切削溫度。
目前，最常用的塗層刀具的基體材料是硬質合金和高速鋼。表面塗層材料大體可分為二類：一類是TiN、TiC、TiCN、TiAlN、Al2O3、CNx、DLC（類金剛石碳塗層)和金剛石等硬塗層材料，它們的硬度高，耐磨性好；另一類是“軟”塗層材料，如MoS2、WS2等，其摩擦系數很小，大約只有0.1，可以減少摩擦，降低切削力和切削溫度。國外還開發了一種TiAlN與基於MoS2軟塗層結合起來的稱之為“MOVIC”塗層新工藝，具有更好的潤滑效果，在乾切削時可獲得更高的刀具壽命。
據德國Guhring公司介紹，在含9%矽的鋁合金上攻絲，未塗層絲錐（基體為含10%鈷的超細晶粒硬質合金）只能加工20個孔，TiAlN塗層可攻1,000個孔，而塗MOVIC的絲錐可攻4,000個孔。在銑削Al-Cu-Mg合金時，採用MoS2銑刀乾銑時的生產率可比未塗層的銑刀高3倍。還可先在刀具表面上進行硬質塗層，然後在其上塗MoS2軟塗層，無論是切鋼和加工高矽鋁合金，在乾切削時都有好的效果（見下圖），而且對鑄件也同樣有效。
目前，一些工業發達國家根據被加工材料的性質來設計塗層成分、塗層厚度及與之相匹配的基體材料，以求獲得其最佳組成並取得乾切削時最佳效果。同時，還手開發智能塗層，這種塗層在磨損、變形或暴露於高溫的情況下，會引起電阻的變化，並發射電子而能被機床識別。
3.優化刀具幾何參數和結構
高速乾切削時，排屑問題非常關鍵。為解決這個問題，需採用有利於斷屑的刀具幾何參數和結構。目前，由於可轉位刀片上三維曲面斷屑槽型的設計和製造技術已較為成熟，因此針對不同的工件材料和不同的切削用量，可選用不同的斷屑槽型來滿足乾切削要求。
在封閉空間進行乾切削（如乾鑽削、乾鉸削）時，應增大容屑槽和刀具的背錐，否則會由於排屑不暢或切屑粘結而造成刀具失效，甚至發生刀具卡死或折斷等現象。
乾切削時的排屑問題，還可利用合理的加工方式來解決。如可借重力排屑，利用空氣靠虹吸作用將切屑從孔中吸出，以及利用真空或噴氣系統等來改善排屑條件。
此外，還可採用一些特殊結構的刀具，如熱管式刀具、回轉型刀具等來降低切削溫度，提高刀具使用壽命。熱管式刀具是一種自冷卻刀具，在相同加工條件下，熱管式刀具在前刀面上的平均溫度僅為普通刀具的三分之二。熱管式刀具目前已成功地用於車刀和銑刀上，一般可提高刀具壽命2-3倍。
採用微量潤滑技術（MQL）的準乾切削
1.什麼是準乾切削？
乾切削在生產中的應用目前還並不普遍，而濕式加工又有許多缺點，若兩者相互結合，既可滿足加工要求，又可使切削液的有關費用降至最低。這種介於濕式加工與乾切削之間，採用微量潤滑加工的技術（MQL）稱為準乾切削技術。由於它使用的切削液用量很少，因而切削液供給系統簡單，體積小，容易布局。
目前，MQL技術已成功地用於加工中心、車削中心、立式車床和多任務機床上，標準設備便能提供通向射流應用區域的冷卻通道。
2.準乾切削案例
下圖所示為美國一家汽車制動器廠在自動生產線上用的一種靠重力排屑的“汽束”冷卻準乾鑽削方法。它將工件翻過來安裝，採用鑽頭從下往上鑽的方法，使切屑靠重力落下，同時用一定壓力（0.3-1MPa）的壓縮空氣使微量切削液（50-125ml/h）霧化，並以很高速度噴向切削區，使在該區域高溫下呈霧狀化的切削液滴很快汽化。由於液體在汽化時會吸收大量熱量，因而可使切削區域內溫度大幅度下降，同時切削液又能帶走切削區域和空間的熱量和粉末，改善作業環境。
靠重力排屑的“汽束”冷卻準乾鑽削方法 |
實踐証明，“汽束”噴霧冷卻在相同時間內吸收的熱量是澆注法的1,000倍。所以，它不但能提高刀具壽命，又可使切削液全部消耗在切削區，沒有多餘的切削液污染生產環境和切屑，達到了和乾切削相同的效果。如對於Ti（Al，N）塗層的整體硬質合金鑽頭，當其採用微量潤滑加工鋼料，鑽頭在壽命期內可鑽孔數量為3,500個，而乾切削時只能鑽1,000個孔。日本不二越公司推出了一種經過DLC塗層處理的長鑽頭，採用MQL技術進行準乾式深孔加工，加工孔的深度可達鑽頭直徑的20倍。德國的汽車製造廠在一些生產線上的使用驗證，採用“汽束”噴霧冷卻，每班只需耗用半杯油，並且可用廉價的工廠再生油。
3.MQL技術的關鍵
採用MQL技術的關鍵是，如何保証切削液可靠地進入切削區。
解決此問題有兩種方法：一是採用“外噴法”，即將壓縮空氣與切削液（油）混合汽化後從外部噴向加工區，此法簡單易行，但消耗的切削液用量大；另一種是“內噴法”，在刀具上作出高壓內冷卻的供液（油）通道孔，油氣混合物通過此通道被輸送到切削區，此法消耗的切削液用量少，特別適用於半封閉式加工的刀具上，如鑽削和鉸削等，但刀具結構較復雜。
隨刀具製造技術的進步，國內外各刀具公司已推出了各種帶高壓內冷卻供液（油）通道孔刀具的新品，為採用MQL準乾切削創造了條件。例如，Sandvik Coromant公司開發的用於車削的Capto HPC車刀和用於銑削的Coro Mill690長刃銑刀，德國MAPAL公司的塗層硬質合金單刃鉸刀（切削速度高達150-400m/min），日本三菱公司的硬質合金小鑽頭等，它們都帶有內冷卻供液孔，並且規格越來越小。據報道，國外一家公司生產的硬質合金小鑽頭，其直徑可小到3-4.5mm，油孔直徑為0.4-0.6mm。
乾切削在生產中的應用
1.鑄鐵加工
鑄鐵加工通常不用切削液，是最典型的乾切削加工方式，當前的重要問題是如何進一步提高材料切除率。美國研製出一種稱之為“紅月牙”的加工法。這種方法採用陶瓷和CBN超硬刀具，在高切速和大進給加工時，使熱量很快聚集在刀具前端產生紅熱狀態，當工件被加熱到371℃時，其屈服強度減小，從而使切除率增大。據報道，在通常情況下，鑄鐵的切除率為16cm/min，當採用“紅月牙”乾切削工藝後，其材料切除率可達49cm/min。加工時採用的切削速度為914~1219m/min，進給量為1270~5080mm/min。
2.鎂加工
鎂由於強度高，重量輕，具有良好的阻尼特性，很容易加工成要求形狀，因此該材料被視為“未來的金屬”，多用於製造航天航空零件。但因鎂具有易燃性，如用濕式加工，鎂屑易與切削液中的水起反應生成氫化鎂，釋放出一種氫物質，使切削液中的水硬化，同時鎂屑受潮後還會成為污染物。故濕式加工鎂時的鎂屑處理是個難題，乾切削也因此成為鎂加工的重要趨勢。
乾切削應用技術不斷取得突破
近幾年來，乾切削在車削和銑削上的應用已日益普遍，在鑽削、攻絲、拉削和滾齒方面也取得重大突破。例如，用美國Leblond-Makino公司發明的一種專利工藝，可在切削速度高達305m/min時，用塗層硬質合金刀具對淬硬鋼（50HRC）及鈦合金進行乾車削加工。
用金剛石刀具乾銑削變速箱上鋁質通道板的效果也十分理想。加工時採用的主軸轉速為15,000r/min，其加工精度為0.05mm，每小時可加工600件。用帶正前角螺旋形切削刃銑削刀片制作的立銑刀，乾銑削17-4PH不鏽鋼的周邊，切削用量為：銑削速度304m/min，進給速度1,270mm/min，每齒進給量為0.14mm/z，20秒鐘去除餘量36cm3。
日本不二越公司用細晶粒塗層硬質合金製造的麻花鑽高速乾鑽孔也獲得很好效果，切削速度高達150m/min，進給速度1,200mm/min。Emuge UK公司開發了乾切削的螺紋刀具。例如對於低碳結構鋼，以15m/min的切削速度不用切削液加工1,000個螺孔，結果發現絲錐上沒有明顯磨損；加工工具鋼，將切削速度降至10m/min，也能達到同樣的壽命。對含有10%鉻的鎳、鉬、鈦不鏽鋼進行攻絲，在5m/min切削速度下可加工1,000個螺孔；在HT300鑄件上以20m/min的速度攻絲，超過4000個螺孔也未出現明顯的磨損。
據報道，使用TiN塗層的高速鋼（HSS）拉刀乾拉削42CrMo4V鋼時，其拉刀壽命可比未塗層的拉刀濕式拉削時的壽命提高3倍；採用細晶粒的TiN，Ti（C，N）或（Ti，Al）N的塗層硬質合金滾刀乾式滾齒時，切削速度可高達350m/min—400m/min。國外已推出了適於乾切削加工的各種機床設備，如LC82型CNC滾齒機、PW系列CNC車削和旋風銑削的多工序聯合機床等。
乾切削應選用優化的切削用量，表1中列出了乾切、準乾切和內冷卻鑽頭（HSC）鑽削時切削用量的比較。
表1 乾切、準乾切和內冷卻鑽頭（HSC）鑽削時切削用量的比較
注：除了M為TiAlN+MOVIC雙塗層外，其餘刀具均為TiAlN塗層硬質合金 |
據報道，俄羅斯“羅士技術”科研生產公司已經開發出在30多個國家獲得專利發明的靜電冷卻乾式切削（風冷的一種）生態淨化工藝，並已在美國、德國、日本和瑞士等工業發達國家中應用。靜電冷卻乾切技術的實質在於向切削區域輸送經過放電處理的空氣，它可以在許多情況下取代切削液的使用。在進行切削加工時，產生的熱電流通過切削區域，並導致工件與刀具的硬質降低。在正確選擇裝置工作規範情況下，可減少通過刀具的電流（可減至零），而擴大通過工件的電流（擴大一倍）。這樣，便可減少刀具硬度的降低，加大工件被切削層硬度的下降，從而可提高刀具的壽命（可提高1.5-4倍）和改善工件加工表面的質量。在切削不鏽鋼和鈦合金等難加工材料時，這一效果尤為顯著。
綜述
綜上可知，高速乾切削是一項很有發展前途的新工藝。乾切削能否廣泛用於生產的關鍵是費用，即治理環境的費用與乾切削實用化所需費用之間的比例關系。
乾切削的優勢是：切屑無污染，易於回收，且省去了與切削液有關的傳輸、回收、過濾等有關裝置及費用。
乾切削的推廣需要靠政府部門的支持，企業、高等院校、科研機構、媒體和社會團體等方面的協調配合和通力合作，要使人人懂得保護環境，進行綠色製造，保持“可持續發展”是全人類的共同責任。可以預見，隨環保意識的增強，現有刀具材料不斷完善，並與新型工具和機床相結合，必將推動高速乾切削的發展及其在生產中的應用。
生產應用
森拉天時C-Clamp車刀：在汽車剎車盤高速加工中 |
供稿：森拉天時
在汽車行業深受金融危機衝擊的大背景之下，森拉天時（CERATIZIT）卻沉下心來、抓住有利時機推進高速乾加工刀具的研發，並在汽車剎車盤及相關鑄鐵車削方面取得了巨大成功—該公司最新推出的車削系統C-Clamp以及與之相配的CTN3105刀片材質正是最好的証明。
C-Clamp已獲得專利權。在此款新產品的設計中，該公司大膽地將刀片夾緊壓塊由原來的鋼件改為硬質合金材料，並將其與刀片的接觸點改為圓錐形，有效消除了高速加工情況下帶來刀具磨損的隱患。經驗証，C-Clamp系統能夠將刀具壽命提高20倍以上。
C-Clamp刀已獲得專利
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這款車削系統具有的特點還包括：可靠性更高，有效避免任何微小振動；夾緊力更大，盡管在較高線速度下，也能保証穩定性能；堅固的夾緊可充分保護刀體不受傷害；刀具壽命明顯延長，減少了換刀頻率，從而提高了生產率；穩定的刀具系統配有高性能刀片，真正滿足剎車盤加工巿場的需求。
同時，為配合C-Clamp，森拉天時推出了陶瓷氮化矽基（Si3N4）刀片CTN3105。該刀片通過提高切削參數至Vc=600-900m/min，從而突破了影響生產效率的瓶頸，令刀具壽命得以延長，並減少停機，最大限度地讓客戶受益。
CTN3105被制作成最受客戶歡迎的C、S、W型，刃口均經過特殊處理，使得在粗加工和精加工都有優秀表現。
供稿：德國藍幟
德國藍幟集團菲特（FETTE）公司的專家們研發了一種新塗層—納米球，它專門為齒輪加工任務而量身定做。
該塗層是一種專用的滾刀塗層，它具有由納米層構成的、厚度只有3-4微米薄的多層結構，盡管其硬度很高，但是具有顯微彈性，能夠有效地保護滾刀，減少磨損。它可以提高切削速度、縮短節拍時間，提高生產效率；並能延長刀具使用壽命高達30%，從而降低滾刀成本。
納米球—齒輪加工中最高性能的保護層
在加工過程中，滾刀需要承受極端的熱應力和機械應力。乾切削的趨勢尤其增加了滾刀在切削過程中必須承受的熱應力。
此外，斷續切削給滾刀的切削刃帶來特別危險的負荷。而菲特公司新開發的納米球塗層正是為解決這些問題而設計。此外，該塗層不僅提升了加工性能，而且使菲特滾刀的壽命比傳統氮化物塗層的刀具延長了30%，並能實現更高的切削速度。
完美的抗磨損保護
創新的納米球塗層的多層性、納米結構的設計，有效提高了刀具的隔熱性。多層結構使它比單層塗層更具有彈性。當基體失去了穩定性並在壓力下屈服時，位於其上面的柔性多層塗層也會屈服。
重新修磨至原始新刀品質
菲特公司保証帶納米球塗層的滾刀通過重磨和復塗後，將能繼續以新刀具的相同標準工作。這是一個基於標準化的過程。刀具在菲特修磨中心原有磨床和塗層設備上進行重新修磨和復塗，這個過程保証了一貫的高品質和絕對的過程安全性。
多層結構避免裂紋擴展以及熱應力
如果納米球塗層中出現裂紋，其擴展會被重新定向，並被多層結構所減緩。其多層結構也提供了更好的隔熱效果，這意味在滾削過程中所產生的高溫需要較長的時間才能使鋼製刀具變熱。 ■
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