干式切削工藝的應用實踐

干式切削工藝能否成功落地，核心在于找到可替代傳統冷卻潤滑介質的技術方案。目前，行業內應用較為成熟的干式切削技術主要分為兩類，即高速干式切削與低溫冷風切削，二者憑借各自的技術優勢，在不同加工場景中得到了廣泛應用。

一、高速干式切削與低溫冷風切削技術解析

（一）高速干式切削技術

高速干式切削是指在完全不使用冷卻、潤滑油劑的前提下，通過采用極高的切削速度開展加工作業的工藝方法。該工藝的順利實施，需合理設定切削參數：首要環節是采用超高切削速度，最大限度縮短刀具與工件的接觸時長，同時借助壓縮空氣等輔助方式及時清除切屑，從而有效控制加工區域的溫度升高。隨著數控技術的普及應用，機床的剛性與動態運行性能不斷提升，大幅降低了提高切削速度的技術難度。實踐數據表明，當切削參數設置合理時，切削過程中產生的熱量有80%可被切屑帶走，有效減少了熱量對刀具和工件的影響。

高速干式切削對刀具有著嚴格的性能要求，具體體現在三個方面：① 具備優異的耐高溫性能，能夠在無切削液的惡劣環境下穩定工作，新型硬質合金、聚晶陶瓷以及CBN（立方氮化硼）等切削材料，是此類刀具的首選材質；② 需盡可能降低切屑與刀具之間的摩擦系數，最有效的實現方式是對刀具表面進行涂層處理，同時搭配排屑性能優良的刀具結構，減少熱量堆積；③ 相較于濕式切削刀具，干式切削刀具需具備更高的強度和抗沖擊韌性，以適應無潤滑條件下的高強度切削需求。

（二）低溫冷風切削技術

低溫冷風切削是一種以-10~-100℃的冷風結合微量植物油，替代傳統冷卻潤滑油劑的新型加工方法，該技術由日本明治大學的橫川和彥等人率先提出。相關研究發現，在金屬切削過程中，若僅向加工點位提供微量、潤滑性能優良且未發生氧化的植物油，加工點位會因切削產生的高溫而喪失潤滑效果；若向加工點位通入-10~-100℃的冷風，則可有效抑制加工點位的高溫化，避免上述問題出現，顯著提升切削性能。試驗結果顯示，采用低溫冷風進行切削、磨削作業，其綜合性能相較于傳統油劑切削、磨削提升2倍以上。

不同加工條件下的切削性能對比（有無植物油切削劑及冷風）顯示：僅使用冷風進行切削，其效果便優于單獨使用植物油；而當冷風與微量植物油配合使用時，刀具的切削性能可進一步提升。本次試驗的具體切削參數如下：工件直徑為φ92~φ98mm，切削速度為45.1~48.0m/min，進給量為0.5mm，切削刀具采用刀尖半徑R0.4、相當于SKH4高速鋼的不重磨刀片。

在采用溫度極低的強冷風進行加工時，為防止油劑凍結而喪失潤滑性能，可采用預處理方式：在加工前向刀具表面涂抹微量植物油，再向加工點位供應強冷風，避免強冷風與油劑直接混合，可進一步提升潤滑效果。微量植物油的使用，不僅降低了切削能耗，還能有效避免工件出現銹蝕現象，兼顧了節能與工件質量保障。

二、干式切削在齒輪加工領域的應用實踐

新型硬質合金涂層技術與數控機床的廣泛應用，推動圓柱齒輪制造行業出現了無冷卻、硬質合金刀具高速切削的新趨勢。若合理設置工藝參數，可在縮短加工時間的同時，延長刀具使用壽命。目前，日本三菱公司、美國格里森公司等國際知名企業，在該領域開展了大量研究工作，并取得了顯著成果。

日本三菱公司推出了全球首套干式滾切系統，其采用的切削速度是傳統滾切速度的數倍，最高可達200m/min。干式滾切對滾刀有著特殊要求，三菱公司專門設計的干式滾刀，采用MACH7高速鋼材質，表面涂覆專用涂層，可有效散熱并減少刀具損耗，其使用壽命可達傳統濕式切削方式的5倍。該系統在加工汽車末級傳動齒輪、大型載重齒輪、汽車小齒輪及行星齒輪等產品時效果優異，可使生產成本降低至少40%。

美國格里森公司采用硬質合金滾刀，在Phoenix機床上通過干式切削法加工錐齒輪。與傳統高速鋼刀具濕式切削法相比，該工藝可縮短50%的切削時間，同時顯著降低齒輪表面粗糙度、提升幾何精度，加工精度可達AGMA12~13級。該公司生產的GP系列滾齒機，憑借獨特的結構設計，使干式切削質量可與濕式切削相媲美：床身采用大角度斜坡設計，便于切屑流動；床身內部采用循環冷卻設計，有利于維持設備熱平衡；此外，機床還配備了一套真空除屑除塵系統，保障加工環境潔凈。該系列滾齒機的滾切轉速最高可達3000r/min。

高速干式切削具備諸多顯著優勢：其一，省去了油屑分離環節，無需配備冷卻潤滑油箱、油屑分離裝置及相應電氣設備，使機床結構更加緊湊；其二，大幅改善了加工環境，避免了切削液對環境的污染；其三，顯著降低了加工成本。為進一步延長刀具壽命、提升工件質量，在齒輪干式切削過程中，可采用每小時10~1000ml潤滑油的微量潤滑方式。該方式產生的切屑可視為干切屑，微量潤滑油不會對工件精度、表面質量及內應力產生負面影響，且可通過自動控制設備實現加工過程的實時監測。

美國費特公司（LMT-Fette）采用硬質合金刀具開展齒輪干式滾切作業，顯著縮短了齒輪單件加工時間，降低了生產成本。日本堅藤鐵工所開發的KC250H型干式滾齒機，采用硬質合金滾刀、冷風冷卻及微量潤滑技術，實現高速滾齒作業；由于供給的冷風溫度穩定，可有效控制工件熱變形。與傳統采用高速鋼滾刀的KA220型濕式滾齒機相比，該設備的加工速度提升3.2倍，齒輪加工精度也得到明顯改善。

三、總結與展望

與傳統濕式切削相比，干式切削不僅能大幅提升機床生產效率、降低工件加工成本，還能有效減少環境污染物排放，節約自然資源，符合綠色制造的發展趨勢。在國外，干式切削技術的研究與應用已較為廣泛，據相關統計數據顯示，目前西歐已有近一半企業采用干式切削加工工藝。國內雖有部分科研機構開展相關研究工作，但在齒輪加工領域的規模化應用仍處于空白狀態。

ISO和JIS14000系列環境管理標準分別于1996年正式制定并生效，這些標準對企業的環境管理及監測提出了嚴格要求，其實施無疑對我國機床產品出口構成了新的挑戰。為提升我國機床產品的技術含量與工藝創新能力，增強在國際市場的競爭力，開展干式切削加工技術的研究與開發工作，具有重要的現實意義和迫切性。