干式切削及其在齿轮加工中的应用

　 　 干式切削工艺的成败，关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法。目前，比较成功的干式切削法有两种：高速干式切削和低温冷风切削。

　 　 一、高速干式切削与低温冷风切削

　 　 高速干式切削法

　 　 该加工方法是在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行切削加工。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；②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；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。

　 　 低温冷风切削

　 　 该切削方法是一种用-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。图1所示是有、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油切削的效果好，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。

　 　 ▲无精密润滑油，无冷风加工；■有精密润滑油，无冷风；

　 　 ●有精密润滑油，有冷风；◆无精密润滑油，有-16.7℃冷风

　 　 有、无植物油切削剂及冷风时的切削性能

　 　使用温度非常低的强冷风加工时，为防止油剂冻结而丧失润滑性，可在加工前，在刀具表面涂上微量的植物油，然后给加工点供应强冷风。即不让强冷风与油剂混在一起，效果会更好。使用微量植物油剂，不但降低了切削能耗，而且还消除了工件锈蚀现象。

　 　二、干式切削在齿轮加工领域的应用

　 　新的硬质合金涂层方法和数控机床的使用，使圆柱齿轮制造出现新趋势：无冷却的硬质合金刀具高速切削。若工艺参数按最佳设置，可使加工时间短，刀具寿命更长。日本三菱公司、美国格里森公司等都在这方面开展了卓有成效的研究。

　 　日本三菱公司推出了世界上第一套干式滚切系统。它采用的切削速度可达到200m/min。干式滚切对滚刀有特殊的要求，三菱公司设计的专用干式滚刀，采用MACH7高速钢，表面涂有专用涂层，有助于散热并减少刀具损耗，其寿命可延长到一般湿切方式的5倍。这一系统在加工汽车末级传动齿轮、大型载重齿轮、汽车小齿轮及行星齿轮时效果都很理想，生产成本至少降低40%。

　 　 美国格里森公司用硬质合金滚刀在Phoenix机床上用干式切削法加工锥齿轮，与传统的高速钢刀具湿式切削法相比，降低切削时间为50%，而且齿轮的表面粗糙度显著降低和几何精度也大大提高，加工精度可达AGMA12～13级。该公司生产的GP系列滚齿机，以其独特的设计，使其干切质量能与湿切质量媲美。其床身设计成大角度斜坡，以利切屑流动。床身内部循环冷却，以利于维持热平衡。此外，机床还配有一套真空除屑除尘系统。这一系列滚齿机，滚切转速可3000r/min。

　 　 高速干式切削法有如下优点：首先，由于它省去了油屑分离过程，无冷却润滑油箱和油屑分离装置以及相应的电气设备，因此，机床结构紧凑。其次，这种方法极大地改善了加工环境；加工费用也大大降低。为进一步延长刀具寿命、提高工件质量，可在齿轮干式切削过程中，每小时使用10～1000ml润滑油进行微量润滑。这种方法产生的切屑可以认为是干切屑，工件的精度、表面质量和内应力不受微量润滑油的负面影响，还可以用自动控制设备进行过程监测。

　 　 美国费特公司(LMT-Fette)用硬质合金刀具干式滚切齿轮，使齿轮单件加工时间和成本明显降低。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KA220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。

　 　 三、小结

　 　 干式切削与湿式切削相比，不但极大地提高了机床生产效率，降低了工件加工成本，而且有利于保护环境，节约自然资源。在国外，干式切削的研究和应用都比较广泛，据有关部门统计，目前在西欧已有近一半企业采用干式切削加工。国内虽有部分机构在从事这方面的研究工作，但在齿轮加工领域内的应用还是空白。

　 　 ISO和JIS14000系列标准分别于1996年制定生效，这些标准对环境管理及监测有严格的规定。它们的实施，无疑是对我国机床产品出口的又一次挑战。为提高我国产品的技术含量和工艺创新能力，在国际市场竞争中立于不败之地，开展干式切削加工技术的研究和开发是十分必要和迫切的。

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