干式切削工艺的应用实践

干式切削工艺能否成功落地，核心在于找到可替代传统冷却润滑介质的技术方案。目前，行业内应用较为成熟的干式切削技术主要分为两类，即高速干式切削与低温冷风切削，二者凭借各自的技术优势，在不同加工场景中得到了广泛应用。

一、高速干式切削与低温冷风切削技术解析

（一）高速干式切削技术

高速干式切削是指在完全不使用冷却、润滑油剂的前提下，通过采用极高的切削速度开展加工作业的工艺方法。该工艺的顺利实施，需合理设定切削参数：首要环节是采用超高切削速度，最大限度缩短刀具与工件的接触时长，同时借助压缩空气等辅助方式及时清除切屑，从而有效控制加工区域的温度升高。随着数控技术的普及应用，机床的刚性与动态运行性能不断提升，大幅降低了提高切削速度的技术难度。实践数据表明，当切削参数设置合理时，切削过程中产生的热量有80%可被切屑带走，有效减少了热量对刀具和工件的影响。

高速干式切削对刀具有着严格的性能要求，具体体现在三个方面：① 具备优异的耐高温性能，能够在无切削液的恶劣环境下稳定工作，新型硬质合金、聚晶陶瓷以及CBN（立方氮化硼）等切削材料，是此类刀具的首选材质；② 需尽可能降低切屑与刀具之间的摩擦系数，最有效的实现方式是对刀具表面进行涂层处理，同时搭配排屑性能优良的刀具结构，减少热量堆积；③ 相较于湿式切削刀具，干式切削刀具需具备更高的强度和抗冲击韧性，以适应无润滑条件下的高强度切削需求。

（二）低温冷风切削技术

低温冷风切削是一种以-10~-100℃的冷风结合微量植物油，替代传统冷却润滑油剂的新型加工方法，该技术由日本明治大学的横川和彦等人率先提出。相关研究发现，在金属切削过程中，若仅向加工点位提供微量、润滑性能优良且未发生氧化的植物油，加工点位会因切削产生的高温而丧失润滑效果；若向加工点位通入-10~-100℃的冷风，则可有效抑制加工点位的高温化，避免上述问题出现，显著提升切削性能。试验结果显示，采用低温冷风进行切削、磨削作业，其综合性能相较于传统油剂切削、磨削提升2倍以上。

不同加工条件下的切削性能对比（有无植物油切削剂及冷风）显示：仅使用冷风进行切削，其效果便优于单独使用植物油；而当冷风与微量植物油配合使用时，刀具的切削性能可进一步提升。本次试验的具体切削参数如下：工件直径为φ92~φ98mm，切削速度为45.1~48.0m/min，进给量为0.5mm，切削刀具采用刀尖半径R0.4、相当于SKH4高速钢的不重磨刀片。

在采用温度极低的强冷风进行加工时，为防止油剂冻结而丧失润滑性能，可采用预处理方式：在加工前向刀具表面涂抹微量植物油，再向加工点位供应强冷风，避免强冷风与油剂直接混合，可进一步提升润滑效果。微量植物油的使用，不仅降低了切削能耗，还能有效避免工件出现锈蚀现象，兼顾了节能与工件质量保障。

二、干式切削在齿轮加工领域的应用实践

新型硬质合金涂层技术与数控机床的广泛应用，推动圆柱齿轮制造行业出现了无冷却、硬质合金刀具高速切削的新趋势。若合理设置工艺参数，可在缩短加工时间的同时，延长刀具使用寿命。目前，日本三菱公司、美国格里森公司等国际知名企业，在该领域开展了大量研究工作，并取得了显著成果。

日本三菱公司推出了全球首套干式滚切系统，其采用的切削速度是传统滚切速度的数倍，最高可达200m/min。干式滚切对滚刀有着特殊要求，三菱公司专门设计的干式滚刀，采用MACH7高速钢材质，表面涂覆专用涂层，可有效散热并减少刀具损耗，其使用寿命可达传统湿式切削方式的5倍。该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等产品时效果优异，可使生产成本降低至少40%。

美国格里森公司采用硬质合金滚刀，在Phoenix机床上通过干式切削法加工锥齿轮。与传统高速钢刀具湿式切削法相比，该工艺可缩短50%的切削时间，同时显著降低齿轮表面粗糙度、提升几何精度，加工精度可达AGMA12~13级。该公司生产的GP系列滚齿机，凭借独特的结构设计，使干式切削质量可与湿式切削相媲美：床身采用大角度斜坡设计，便于切屑流动；床身内部采用循环冷却设计，有利于维持设备热平衡；此外，机床还配备了一套真空除屑除尘系统，保障加工环境洁净。该系列滚齿机的滚切转速最高可达3000r/min。

高速干式切削具备诸多显著优势：其一，省去了油屑分离环节，无需配备冷却润滑油箱、油屑分离装置及相应电气设备，使机床结构更加紧凑；其二，大幅改善了加工环境，避免了切削液对环境的污染；其三，显著降低了加工成本。为进一步延长刀具寿命、提升工件质量，在齿轮干式切削过程中，可采用每小时10~1000ml润滑油的微量润滑方式。该方式产生的切屑可视为干切屑，微量润滑油不会对工件精度、表面质量及内应力产生负面影响，且可通过自动控制设备实现加工过程的实时监测。

美国费特公司（LMT-Fette）采用硬质合金刀具开展齿轮干式滚切作业，显著缩短了齿轮单件加工时间，降低了生产成本。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、冷风冷却及微量润滑技术，实现高速滚齿作业；由于供给的冷风温度稳定，可有效控制工件热变形。与传统采用高速钢滚刀的KA220型湿式滚齿机相比，该设备的加工速度提升3.2倍，齿轮加工精度也得到明显改善。

三、总结与展望

与传统湿式切削相比，干式切削不仅能大幅提升机床生产效率、降低工件加工成本，还能有效减少环境污染物排放，节约自然资源，符合绿色制造的发展趋势。在国外，干式切削技术的研究与应用已较为广泛，据相关统计数据显示，目前西欧已有近一半企业采用干式切削加工工艺。国内虽有部分科研机构开展相关研究工作，但在齿轮加工领域的规模化应用仍处于空白状态。

ISO和JIS14000系列环境管理标准分别于1996年正式制定并生效，这些标准对企业的环境管理及监测提出了严格要求，其实施无疑对我国机床产品出口构成了新的挑战。为提升我国机床产品的技术含量与工艺创新能力，增强在国际市场的竞争力，开展干式切削加工技术的研究与开发工作，具有重要的现实意义和迫切性。