切削加工應用綜述

伍建川　李航

摘 要：切削加工在機械制造中占有很重要的地位，隨著科技的日益進步，人們需求的提高，對切削加工也提出了更高的要求。本文對傳統切削、干式切削和半干式切削進行分析比較，并作出相應的總結展望。

關鍵詞：切削加工；傳統切削；干式切削；半干式切削

0 前言

現代制造技術是一個國家制造業水平高低的主要標志，直接影響著國家工業的發展[1]。切削加工在機械制造技術中占據重要地位，占機械加工量的90%以上[2]，它是汽車工業、航空航天工業、能源工業和新興的模具工業、電子工業等部門迅速發展的重要因素。切削加工是指用刀具從工件上切除多余材料，從而獲得形狀、尺寸精度及表面質量等合乎要求的零件的加工過程。從有切削加工以來，切削液已廣泛應用于金屬切削刀具壽命的延長，表面加工質量的提高，在獲得卓越的性能時，切削液所涉及的一些重要的問題也限制了其應用[3]。當前的切削加工按切削液的使用情況可分為三類：傳統切削、干式切削、半干式切削。本文通過對以上三類切削加工進行的介紹，分析優缺點，使讀者對切削加工有更加深入的了解，為操作者提供選擇使用何種切削加工的參考。

1 傳統切削

傳統的切削在此指使用切削液的切削加工，也叫濕切削加工。自從切削加工問世以來，人們就知道用切削液可以提高加工效率，其技術現已十分成熟。切削液一般以液體的形式澆注在切削區內，它一方面能在切削過程中帶走熱量，冷卻工件和刀具；另一方面切削液使刀具與工件間的摩擦減小，從而摩擦產生的熱量減少；另外，切削液還具有排屑與清洗、防銹等作用。利用切削液還可以減少粘結及刀具磨損量，防止劃傷已加工表面和機床導軌面 [4]。

但是傳統的切削技術也有很大的弊端，傳統切削的切削液澆注方式使得刀刃與工件、刀刃與切屑的結合部由于膜態沸騰的原因并沒有得到很好的冷卻和潤滑，而只是冷卻了刀體和工件的表面[5]；使用切削液對環境有很大的污染；各種類型的切削液都會含有除基礎油以外的各種添加劑，工人在操作時容易接觸切削液，引起皮膚傷害；而且切削液的存放困難，需要避光、避熱、避潮室內存放，理想存放溫度為4℃～30℃。這都無形中產生了很高的成本費用，和綠色的機械制造理念不相符合。

2 干切削

干切削一般是指在無冷卻、潤滑油劑的作用下的高速切削。高速切削是20世紀90年代迅速走向實際應用的一項新加工技術，包括高速硬切削、高速軟切削以及大進給軟切削[6]。在高速切削條件下，95%—98%切削熱被切屑帶走，切削力也可降低30%。

高速干式切削對刀具的要求嚴格：刀具需要很好的耐高溫性能，可在無切削液條件下工作；切屑和刀具之間的摩擦系數要盡可能小（最有效的方法是刀具表面涂層），并輔以排屑良好的刀具結構，減少熱量堆積；切削刀具還需要更高的強度和抗沖擊韌性[7]。目前，國外的工業發達國家非常重視高速干切削研究，干切削技術已經成功應用到了生產領域，并獲得了良好經濟效益[8]。使用高速切削，在表面形成的殘余壓應力低于正常的銑削速度，在表面的殘余應力梯度較小和應力分布更合理。應用高速銑削方法加工鈦合金獲得的工件表面質量能達到通過研磨得到的表面質量的水平，具有較低的應力，表面粗糙度低，較低的冷作硬化深度[9]。

當然，高速切削加工也有其自身的局限性：在切削加工一些難加工材料時，切削速度的提高仍會受到刀具急劇磨損的限制；同時切屑因較高的熱塑性而難以折斷和控制，切屑的收集和排除較為困難[10]；高速切削因為切削力增大，切削溫度上升，切削振動增強，影響機床加工性能，降低了加工質量。另外高速切削所使用的刀具材料價格非常貴，像銑削這類回轉刀具及主軸還需要動平衡；刀具夾持必須安全可靠；所使用的高速加工機床及其控制系統價格昂貴，這些都使得高速切削的成本加大[8]。

3 半干式切削

半干式切削法是介于干式切削和濕切削之間的一種切削方式，它綜合了干式切削和濕切削的優點，在保證加工效果的前提下，盡可能的使用最小量的切削液，盡可能對環境的污染程度影響最小[11]。它是利用氣體加微量無害油劑代替切削液的降溫、潤滑、排屑的一種切削方式，常見的有MQL（微量潤滑）切削、氮氣流切削、超低溫冷卻切削和低溫冷風切削。

3.1 MQL（微量潤滑）切削

MQL切削是早就在國外應用廣泛的半干式切削方法，是利用常溫壓縮空氣中混入微量的無公害油霧替代大量切削液來進行冷卻、潤滑和排屑。采用MQL時的切削摩擦系數與使用水溶性切削液和干切削時的摩擦系數相比要低得多，所以即便是提供非常微量的油劑也能獲得潤滑作用[12]。

MQL切削技術明顯優于干式切削，其切削力由于切削溫度的降低而減小[13]，能獲得相當小的表面粗糙度和毛刺尺寸[14]，同時因其使用環保型切削液，降低了對工作人員的危害。MQL發展很快，在很多國家都使用普遍，但是，有助于大量降低切削廢棄物的MQL技術還無法被人們清晰認識，在技術上更是問題重重，如需要控制氧氣濃度，以免有氧化物的產生，使得切削溫度升高。

3.2 氮氣流切削

氮氣流切削是指把空氣中的O2、CO2和H2O排出，提取到比較純凈的氮氣，用氮氣代替切削液，達到降低溫升的目的，并能夠解決金屬材料的氧化問題。氮氣流切削冷卻劑的來源豐富，并不會污染環境，但是由于只有氮氣作為冷卻劑，其冷卻效果不太明顯，對于此項技術國內外的研究都較少，國內更是幾乎沒有使用。

3.3 超低溫冷風切削

超低溫冷風切削在特定的壓力作用下，將-180℃的液氮，或是-76℃的CO2液體噴入切削點，替換掉使用切削液的切削方式。超低溫冷風切削與氮氣流切削的不同之處在于使用了低溫氮氣作為冷卻劑，能夠達到較好的冷卻效果，但該方法技術難度大、成本高，故發展緩慢，無法廣泛用于生產實際。

3.4 低溫冷風切削endprint

低溫冷風切削技術的工作思路，就是將壓縮空氣在特定壓力下通過不同類型的制冷設備，直接用噴管噴射于刀具前后切削刃，使刀具切削刃得到迅速冷卻，從而能夠達到降溫、減小切削力和使切屑迅速脫離工件的效果[15]。將壓縮空氣降溫到-20℃～-30℃，并混入微量植物油潤滑劑的切削方式與MQL切削不同之處在于低溫冷風切削使切削點低溫化[16]。

低溫冷風切削技術是最為實用，也最適合我國國情一種切削加工技術。它的優點如下：加工效率提高了幾倍，低溫冷風車削、磨削效率被證實有所提高，低溫冷風鉆削的效率甚至提高了甚20倍左右；基本上不產生污染，改善了加工條件；省去了切削劑采購費，使得生產成本降低；切屑不用處理便可回收，使經濟效益增加；對自動加工、檢測和監控也非常有利；加工溫度對工件尺寸影響很小，質量穩定；刀具壽命延長數倍，降低了刀具成本、縮短了機床準備時間；特別對于鈦、鎂、鎳鉻合金等難切削材料的加工用處極大[17]。

4 結語

目前，發展先進制造技術的重要性毋庸置疑，我國國情使得我們尤為要意識到其緊迫感，經過對三種類型的切削技術的簡單對比，得出如下結論：

（1）由于現在的環保意識越來越強，國際上對環境污染的懲罰力度加大，傳統的切削技術由于使用切削液污染環境和成本增加等原因，不符合綠色制造加工概念，被越來越多的國家摒棄。

（2）高速干式切削加工技術在國外的應用十分普遍，但在國內由于條件限制，刀具材料問題難以克服，其發展研究仍存在困難。

（3）半干式切削中的冷風切削，由日本提出，在中國起步較早，發展迅速，可作為今后切削加工的發展趨勢。

參考文獻：

[1]夏源彤，鄭斌，王哲瀟.我國機械制造技術的現狀分析[J].科技向導，2012：31-32.

[2]王世敬，溫筠.現代機械制造技術及其發展趨勢[J].石油機械，2002（11）：21-24+2-1.

[3] Measurement of Droplet Size and Distribution for Minimum Quantity Lubrication .Kyung-Hee Park ； Olortegui-Yume， J.A. ； Shantanu Joshi ； Kwon， P. ； Moon-Chul Yoon ； Gyu-Bong Lee ； Sung-Bum Park .Smart Manufacturing Application， 2008. ICSMA 2008. International Conference on .DOI： 10.1109/ICSMA.2008.4505598 Publication Year： 2008 ， Page（s）： 447-454.

[4]孫濱琦.論述金屬切削加工工藝的方法[J].民營科技，2014：21-22.

[5]王雷，張昌義，楊倫.低溫冷風切削傳統設備技術改造的新方法[A].重慶市機械工程學會.2010年重慶市機械工程學會學術年會論文集[C].重慶市機械工程學會，2010：4.

[6]繆霞.高速切削應用中若干問題的討論[J].裝備制造技術 ，2013（12）：128-131.

[7]趙正書.干式切削及其在齒輪加工中的應用[J].機械工藝師，2000（09）：62-63.

[8]李學飛，郭微.高速切削加工的應用[J].機電產品開發與創新，2013，26（06）：144-145.

[9]Prediction of critical cutting conditions of adiabatic shear of Ti6Al4V in high speed cutting Guohe Li ； Yujun Cai ； Houjun Qi Mechanic Automation and Control Engineering （MACE）， 2011 Second International Conference on DOI：10.1109/MACE.2011.5987227 Publication Year： 2011，Page（s）：1479-1481.

[10]甘建水.低溫冷風切削加工實驗研究[D].成都：西南交通大學，2010：1-78.

[11]李通.低溫冷風法深孔加工技術的研究[D].西安：西安石油大學，2011：1-70.

[12]橫田秀雄，吳敏鏡.MQL切削的現狀和發展[J].航空精密制造技術，2004（01）：24-26.

[13]Experimental evaluation of the effect of minimum quantity lubrication in turning AISI-4140 steel Bandyopadhyay， B.P. ；Endapally， K.R. Computers & Industrial Engineering， 2009. CIE 2009. International Conference on DOI： 10.1109/ICCIE.2009.5223692 Publication Year： 2009 ， Page（s）： 1905-1910.

[14]周堅，丁志東.MQL切削加工表面質量分析[J].科技信息，2011（06）：355-356.

[15]魏成雙，顧祖慰.干式冷風切削技術在磨削中的應用[J].金屬加工，2008（04）：27-29.

[16]張昌義，童明偉.干式、半干式和低溫冷風切削加工技術[J].工具技術，2004（01）：61-63.

[17]張昌義，童明偉.干式、半干式和低溫冷風切削加工技術[J].模具制造，2003（12）：61-62.

作者簡介：伍建川（1988-），男，四川達州人，碩士，研究方向：機械工程及自動化、機械設計制造及自動化專業及相關領域。endprint