高速干式切削在齿轮加工中的应用研究

付胡代, 韩立强, 杨 威

（长春工程学院 机电学院 ，长春 130012）

0 引言

传统的齿轮加工中，通常使用切削液来冷却刀具和工件，减少磨损，将切屑从机床上冲走，因而需要配置油箱及油路系统，以及防护油变质、废油处理、工件清洗以及切屑的除油处理等费用。按照环保观点，切削油中要限制使用硫化物，禁止含有氯化物和异味，否则对生态环境及操作者的健康特别有害。从生态学和技术经济角度出发，废除切削液是大势所趋。因此，干式加工是金属切削加工的发展趋势之一。

目前，在工业发达国家，非常重视干式切削的研究与工程应用。为了贯彻环境保护政策，更是大力研究、开发和实施这种绿色制造方法。对于美国、日本、德国等环保法规严格、人工费用水平高的发达国家而言，采用干式切削的总成本是传统切削工艺的70%左右。据美国企业的统计，在集中冷却加工系统中，切削液占总成本的14%～16%，而刀具成本只占2%～4%。据测算，如果20%的切削加工采用干式加工，总的制造成本可降低1.6%。干切技术的优势还表现在零件表面质量的提高和几何精度的改善，这有助于产品性能的提升；国外资料表明，干切工艺的工件表面粗糙度值可以降低40%左右。可见，从保护环境、提高加工效率和加工精度以及减低制造成本的角度分析，在我国积极开展干式切削技术的研究与应用对于机械制造业的可持续发展具有重要的意义。

1 低温冷风切削法与高速干式切削法

使制造业减少资源消耗和尽可能少地产生环境污染是当前制造业面临的重大课题。为此干式切削若干关键技术已经达到实用化阶段，包括：机床总体布局设计技术、高速干式切削加工工艺技术。工业发达国家早在上世纪80年代即开始研究相关技术，但由于硬质合金材料的昂贵和刀具制造技术不过关，这项加工技术的应用一直没有突破性的进展，最近几年由于硬质合金材料的水平提高和表面涂层技术的发展，使得目前采用新一代数控加工设备生产厂多数都有干切工艺的应用，在生产效率大幅度提升、表面质量明显改善的同时，生产成本有所下降。目前，国外为了取消冷却液所开展的工作主要有两种方式：即低温冷风切削与高速干式切削。

1.1 低温冷风切削法

此切削方法是一种用-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。

1.2 高速干式切削法

此切削方法是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。高速干式切削是一项综合技术，必须从刀具、机床和工件等各方面采取一系列合理、有效的措施,才能得以顺利实施。

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。高速干式切削法对刀具有严格的要求：1）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；2）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；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。

2 高速干式切削法在齿轮加工中的应用

齿轮是工程机械、摩托车、汽车等行业重要的基础传动元件。随着我国汽车行业上批量及上档次升级，对齿轮的需求量越来越多，因而齿轮加工行业对制造精度、生产效率、提高质量及清洁生产提出了更高的要求。二十一世纪的制造生产将日益走向全球化，国际制成品市场的竞争将愈加激烈，由此要求制造企业必须对市场现有需求和潜在需求做出快速响应，具备性能优良、价格低廉的产品和交货迅速的制造能力。这必将使制造加工技术朝着快速、低消耗和优质、高精度的方向发展。

近年来，在高速切削机理研究方面，成就比较突出的是美国洛克希德导弹和空间公司的科学家罗伯特·金（Robert I.King）和麦克唐纳（McDonald）。他们在20世纪70年代中期开始着手验证和发展沃汉（Vaughan）的研究结论，并提出了一个比较完整和可靠的高速切削机理，从理论上证实了高速切削的可行性和优越性。他们的研究主要集中在切屑成型理论、金属断裂、突变滑移、绝热剪切及各种材料的切屑成型方面。早在60年代初，美国空军就开始了超高速切削机理的研究。1979年，美国国防高科技技术研究总署规划了超高速切削基础技术研究。美国福特公司的印第安那工厂，在世界上最先将干态高速滚齿成功地用于实际生产。该厂以难度较大的大螺旋角转向齿轮作为攻关对象，材料为SAE1045，硬度22Rc，采用硬质合金滚刀干滚，最终将生产时间压缩46%，生产成本降低29%，刀具寿命延长4倍，工件的几何精度和齿面粗糙度都得到了改善。

在德国，高速切削得到了国家研究技术部的高度重视，1984年拨款1160万马克组织了以Darmstadt工业大学的生产工程与机床研究所为首的41家单位进行联合研究，全面系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的高速加工技术，并分别对各种工件材料的高速切削性能进行了深入的研究和试验。德国在高速干式切削领域中处于领先地位，现有8%左右的企业采用干式切削，这预示着高速干式滚齿技术将是未来齿轮加工发展的一个方向。

日本也于60年代开始了超高速切削机理的研究，注意吸收各国的研究成果并将其应用到新产品的开发上，进入90年代，以松浦、牧野、马扎克等公司为代表的一些机床制造厂，已将一批高速加工机床推向市场。日本尖端技术研究会已把超高速切削列为五大现代制造技术之一。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和二刃型湿式滚齿机相比，加工速度提高了3.2倍，齿轮精度也明显提高。

目前，我国对高速干式滚齿技术的研究还比较少，在这方面的研究成果也比较少，不过有关单位亦有不小进步。

高速干式齿轮加工与传统的齿轮加工相比具有显著优点：1）极高的切削速度使得大量的切削热（95%～98%）来不及传给工件就屑带走，工件表面受热变形小，适合加工容易热变形的零件。2）采用热硬性好的刀具材料，常常可以不用切削液进行干切削，减少了环境污染。3）从动力学的角度，高速干式滚齿加工过程中，随着切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源；转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速干式滚齿可大大降低加工表面粗糙度。4）随着切削速度和进给速度的提高，单位时间的材料切除率大大增加，缩短了切削加工工时，提高了生产效率，降低了加工成本。5）由于采用了很高的切削速度和进给速度，允许采用较小的切削用量进行切削加工。切削力大幅度减少，切削热也随之下降，工艺系统变形减小。6）由于主轴转速很高，机床激振频率远远高于工艺系统的固有频率，工统振动很小，容易得到很好的表面质量，可作为机械加工的最终工序。同时切屑是在瞬时间被切离工件，工件表面的残余应力非常小。

3 实验数据与结果

3.1 空间和能量消耗

主要考虑三个方面：干切的加工时间是传统加工方法的25%，电机工作的时间只是原来的1/4；工作条件是高速大扭矩；干切加工过程不需要油泵、油雾收集等；

3.2 单件成本

按照17组刀盘计算，对于硬质合金刀具，在刀具的生命周期内所加工的零件总数：300×100=30000（每次刃磨可加工零件总数300件）单件成本：$32852/30000=$1.10。对于HSS刀具，在刀具的生命周期内所加工的零件总数：150×50（可以重磨50次）=7500（每次刃磨可加工零件总数150件）单件成本：$16198/7500=$2.16。可见：虽然硬质合金刀具本身比较贵，但是由于其可重磨次数增加和每次重磨后的加工零件数比较多，最终的反映在工件上的成本却是降低了；因此，对于干切来讲，若保持高效率无污染生产的同时仍有生产成本的下降。

3.3 所占面积

在优化的条件下，一台干切的加工设备可以取代4台传统的加工设备；另外因为干式切削设备可以省去油箱、铁屑传输、油雾收集和热交换装置，其占地面积可以减小到350sq.ft，而传统设备占地面积为500sq.ft。可见在同样生产纲领的条件下，只用原来18%的占地面积、25%的能量消耗和相同或更加低的刀具成本就能够完成正常的生产任务；另外还有前面提到的切削油的节省、环境

的保护、降低了的对人体的伤害等等；这同时也体现在生产投资的减少方面，按照上面的测算，考虑在热前加工的切齿部分，包括设备投资、刀具消耗、电能消耗和占地面积的减少方面，实际的投资可以减少大约20%-30%左右。

3.4 加工时间

可见，采用干切工艺可使加工效率提高一倍。

通过实际在GLEASON 600HC设备上采用硬质合金刀条用端面滚切的干式加工方式对390mm汽车后桥锥齿轮进行了加工试验，小轮加工2min43s，大轮加工仅用4min20s；而用传统的加工方法湿切同样产品，小轮加工时间8.5min，大轮加工10.6min，生产效率相差一倍以上。

4 结束语

干式切削与传统切削相比，尤其对齿轮的加工，实现高速干式切削工艺过程，具有提高加工精度和表面质量，降低生产成本，提高生产效率，降低切削力并且可加工高硬材料等许多优点，创新意义在于综合优化干式切削工艺过程。将来能提供通过生产加工考核的包括专用刀具开发技术、齿坯切削性能改善技术和加工参数确定以及机床调整技术等方面的干式切削加工工艺规范。同时可以提升先进制造技术的研发水平并以实施汽车、航空、模具等制造业部分零部件的绿色制造，来推动国内机械制造业的绿色制造发展进程。

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