干切削技术下的机床改造方案探讨

胡兴

【摘要】随着机械制造业的发展，切削技术取得了长足的进步，出现的干切削技术由于低耗、环保、高效对传统的切削技术是一个很好的替代。传统的切削加工需要消耗大量的切削液，不仅会提升机械制造的成本，还会严重污染环境。干切削则完全避免了传统切削的上述缺点，但从目前情况来看，干切削一般只适用于铸铁件切削和低速切削，传统切削的应用范围依旧较为广泛，对于规模小、实力弱的中小机械制造企业更是如此。本文基于干切削技术来论述机床的改造方案，希望对大家相关领域的研究有所帮助。

【关键词】干切削技术；机床改造方案；探讨

前言

相关的数据指出[1]，应用传统切削技术的机床在切削液上的支出占到总制作成本的16%-20%，其成本支出包括切削液的购买以及后期的处理。机床是机械生产的核心构件，对机床进行改造有利于干切削技术的应用，充分发挥其应有的价值和作用。干切削技术对机床的改造主要涉及隔热措施、刀具选择、加工参数、温度控制、排屑装置等方面，这也是本文论述的切入点。

1.干切削技术机床改造方案流程

①拆除机床上原有的喷淋切削液装置；②选择干切削刀具替换机床上原有的刀具，然后进行刀具参数设计，以提升干切削刀具的性能；③设置吸尘装置、排屑装置，以使切屑及时排出，同时采取必要的隔热措施和热平衡措施，减少切削热的影响。④根据干切削加工特点优化加工参数，以提升加工的效率；⑤采用一定的技术措施，营造一个良好的加工环境，提升刀具的使用寿命。总之，干切削技术下的机床改造方案不尽相同，除了受干切削技术的影响，还受加工要求、加工材料以及辅助技术的的影响，在实际的改造中应综合考虑多方面的因素。

2.干切削技术机床改造方案的核心内容

2.1确定刀具的材料、尺寸

刀具的选择是机床切削加工的关键，也是干切削技术下机床改造的重点。当前，干切削刀具的主要材料有聚晶金刚石、粉末高速钢、SiC晶须增韧陶瓷、超细颗粒硬质合金、纳米晶粒陶瓷立方氮化硼等，其中粉末高速钢最为普及。同时为了提升刀具的精度，降低刀具的粗糙度，延长刀具的使用寿命，可采用在刀片表面运用TiAlN、TiN等涂层技术的刀具。为了使刀具更加适合干切削，还应根据实际需要对刀具的尺寸、结构等参数进行重新设计。

2.2机床隔热处理

机床的干切削会产生大量的热量，这些热量积聚后会导致机床温度过高发生热变形，使得机床丧失原有的运转性能和加工精度。切削热量主要是通过切屑进行传递，对此应采取一系列的隔热措施，比如选用由绝热材料制造的排屑槽，选用耐热防护罩保护床身、刀具和工件，防止高热的切屑与机床直接接触。上述一系列措施避免了机床温度过高，但有时机床局部温度的升高仍然是不可避免的。为了减少局部温度过高引发的机床较大幅度的热变形，可采取一定的热平衡措施减少温度落差。比如把机床的顶部和底部、左侧和右侧用灌满油液的型腔连接在一起，使某处的热量通过油液这个热导体传输到温度较低的部位，实现热均衡，避免局部温度过高。

2.3减少切屑和灰尘

干切削产生的热量大多被切屑带走，对于高速干切削更是如此，可达到总热量的95%以上。除了对机床进行隔热处理和热平衡外，还应设置排屑装置，让切屑及时得到排除，这是降低切削热量的关键。想要实现有效排屑可采取以下措施：采用倾斜的床身和斜面挡屑板；采用立式布局的刀架和主轴，以减少容易滞留切屑的平台，采用刀具在下工件在上的加工方式，以使切屑在重力的作用下及时排出。第一种方法由于对机床的改动小，机床的造价不会得到明显的提升，且能实现有效的排屑，具有较高的应用价值。

2.4选择合适的干切削技术

2.4.1静电冷却干切削

配备空气电离器，利用电离器压缩空气，并把空气臭氧化、离子化，然后再把加工后的空气经由喷嘴送至切削区，营造一个特殊的气体环境，继而实现静电冷却干切削。为了确保干切削的效果，喷嘴应尽可能靠近切削点。这种特殊的气体环境不仅能避免切削区温度过高，还能使切削加工表面形成一层致密的氧化薄膜，减低摩擦力，降低加工零件的磨损，提升刀具的使用寿命。相关的研究试验证实[2]，静电冷却干切削刀具与传统切削刀具的使用寿命基本一致，前者为后者的80%-90%，在某种情况下，前者的使用寿命还会高于后者。在国防工业以及汽车制造中，静电冷却干切削已有广泛应用。

2.4.2氮气干切削

安装氮气生成装置，利用氮气生成装置收集空气，对空气进行压缩达到5～6MPa，并把空气中的CO2、O2、H2O去除，然后再把加工后的空气经由喷嘴送至切削区，营造充满氮气的局部气体环境，从而实现氮气干切削。为了确保干切削的效果，喷嘴应尽可能靠近切削点。这种特殊的气体环境不仅能避免刀具发生氧化和腐蚀，还能防止切削粘连到刀具，保护刀具涂层，从而实现刀具使用寿命的提升。氮气干切削技术最为先进的日本的EV530型加工中心[3]，其提取的氮气纯度能达到99.19%以上，尽可能避免了CO2、O2、H2O对刀具使用寿命的影响。该技术在去MQL切削淬硬磨具的辅助下使得刀具的使用寿命增加了600%。氮气干切削主要应用于高速钢、铝、钢、镁的加工，其中高硬度材料的加工最为广泛。

2.4.3高速干切削

在高速干切削中，红月牙技术（Red Crescent）最为成熟，其刀具材料是CBN和陶瓷，通常还会采用激光进行辅助加工。应用红月牙技术进行高速干切削的过程中，为了降低工件的屈服强度，刀具前端会產生大量的热量，以使工件炽热，增加工件的可塑性。采用激光辅助的情况下，工件能更快地达到炽热，屈服强度更低，可塑性更高。具体的改造方法如下：把聚焦透镜安装在机床主轴箱上，然后根据加工要求对照射区域进行调整；激光能量转化为工件热能，使工件软化、炽热，减少加工的阻力。相关研究试验证实[4]，在高强度钢、钛、灰铁的加工中，采用激光辅助的高速干切削，刀具磨损降低90%，铣削力可降低30%-70%，极大地降低了干切削加工的难度，降低了刀具的磨损，实现了加工效率和刀具寿命的提升。

3.结束语

为了方便切屑的及时排出，并润滑和冷却切削部位，避免刀具过热或过快磨损，传统的切削加工时会喷淋切削液。而切削液不仅会造成成本的增加，还会污染环境，而干切削不需要喷淋切削液。总的来说，与传统切削相比，干切削更加的环保、节能、高效，对机械制造的机床改造具有较高的应有价值。

参考文献

[1]Tan XC，Liu F，Cao HJ，Zhang H.A decision-making franework model of cutting UIDS selection for green manufacturing.Journal of Materials Processing Technologies，2002.

[2]Kalhoer E.Dry machining principles and applications.Julho，Brazil，SantaBarbara DOeste，SP.In：proceedings of the second Seminario International deAlta Tecnologia UNIMEP，1997.

[3]李国和，戚厚军，蔡玉俊等.螺旋锥齿轮高速干切削关键技术研究[J].工具技术，2013，47（2）：36-40.