未来金属切削加工的发展趋势之一——干式切削加工

干式切削加工是未来金属切削加工的发展趋势之一。近年来工业发达国家非常重视干式切削，为了贯彻环境保护政策，大力研究、开发和实施这种新型加工方法。切削液在工作中对降低切削温度起了很好的作用，有利于断屑和排屑，但同时也存在一些问题，冷却液的使用、存储、保洁和处理等都十分繁琐，且成本很高。切削液对环境和操作者身体健康的危害使其使用受到限制。切削液的处理也大大提高了加工成本，这些费用常常被低估，因为它们包含在间接费用之中。据美国企业的统计，在集中冷却液加工系统中，切削液占总成本的14%～16%，而刀具成本只占2%～4%。据预测，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%。因此，未来切削加工的方向是采用尽量少的切削液，耐高温切削材料和涂层使得干加工在机械制造领域变为可能。

干式切削加工刀具的设计

设计干式切削刀具时需要考虑刀具几何形状、刀具材料和涂层之间的相互兼顾，不能只通过选择合适的刀具材料来进行干式加工，也不能只采用涂层方法使传统刀具变成干式加工刀具。传统切削加工时，各种加工方式对刀具设计提出了不同要求。干式切削加工刀具必须具备下列条件：高耐热性、高耐磨性的刀具材料；切屑和刀具之间的摩擦系数尽可能小；刀具形状可保证排屑流畅、易于散热；高的强度和冲击韧性等。

干式切削加工刀具的设计必须考虑以下三个方面：

（1）刀具几何形状。热效应是干式切削加工需要解决的基本问题。刀具设计时，要考虑使刚开始切削加工时产生热的可能性小，因此必须保证刀具切削力小、摩擦小。深孔加工刀具的切削难题是很难将切屑排出，因此刀具设计必须保证良好的排屑效果。在小切削力情况下的设计原则为大前角和大圆度切削角。

（2）刀具材料。干式切削加工时，刀具材料最重要的特性是耐高温性。如果必须采用大前角，则材料的高硬度是必需的。目前适用于干式切削加工的刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。

（3）刀具涂层。切削加工可以不采用切削液的主要原因之一是刀具涂层的应用，它可通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低温度冲击。因此，刀具材料可通过涂层处理来实现“固体润滑”，以减少摩擦和粘结磨损，使刀具吸收热量较少，能承受较高的切削温度。涂层在干式切削加工中的功能是将刀具与被切削材料隔离，减少摩擦，起到隔热作用。干式切削加工刀具通常可采用TiAIN涂层，它有很好的耐热性能和高温性能，与TiN，TiCN涂层相比，由于添加了Al，从而使刀具的抗氧化性能得到极大改善，非常适用于高速加工和干式加工，它的切削性能在高温连续切削时可比TiC涂层提高四倍。

干式切削加工的冷却和润滑

干式切削加工时如果采用喷雾冷却，可以避免采用切削液时的负面影响，这意味着刀具和工件不需长时间冷却，切屑与刀具之间分离时间较短，而排屑显得比较困难。解决这些不利因素可通过刀具设计和涂层技术来补救。但有时还不够，必要时可适量使用冷却和润滑介质。切削加工中少量使用冷却或润滑介质也称为准干式切削加工。实际应用方法包括压缩空气或冷风冷却，在车削时可采用-20℃冷风及少量润滑油；钻削时可采用喷雾润滑等。

冷却枪系统在切削机械中的降温应用

随着数控化的普及、刀具制造技术的提高，金属切削机床的加工效率越来越高，切削液的用量也越来越大，其在加工成本中所占比例也越来越大，甚至达到了15%，使得机械零件的加工成本逐渐上升；而且切削液是金属切削加工业的主要污染源。在此形式下，不使用切削液的加工技术就成为金属切削加工业所面临的主要课题，即干式、半干式切削法。低温冷风切削法向加工部位喷射-30度～-40度的低温气流、并混入非常微量的植物性润滑剂(每小时10～20毫升)，把油剂的作用分开，让微量油雾润滑、低温气流降温和排属。切削点低温化，不仅使工件材料局部变脆，有利于切屑的撕裂、降低切削负荷，同时也防止了刀具自身的软化，减少了与工件之间的摩擦、粘结、扩敖和相变磨损，使刀具寿命得到提高，尤其适合钛、镁、钼、铝、不锈钢等难切削材料和薄壁材料的加工。

美国EXAIR冷却枪以压缩空气为媒介，可降低压缩空气温度（温降可达到-35度），利用万向管将冷却气直接引至切削刀头，从而在不使用任何冷却媒的情况下，巧妙的实现了切削刀头的降温、延长刀头寿命、提高产品质量。冷却枪体积小、安装简单、现场改造方便。

冷却枪工作原理

冷却枪由涡旋管组成，涡旋管使普通压缩空气变成冷热两股低压气流。热气流被抑制器抑制住，从热气出口排出。冷气流也被抑制反向从万向管排出。该万向管即直接指向需冷却的部位。冷却枪带一个磁性基座，非常易于安装，而且非常轻便。