0 引言

在全球制造业向可持续发展转型的背景下，绿色制造理念的重要性日益凸显。绿色制造旨在通过优化生产流程、减少资源消耗和降低环境污染，实现经济效益与环境效益的双赢^[5]。然而，传统金属切削液的使用对环境和人类健康造成了显著负面影响。切削液不仅在生产过程中产生大量废液，处理不当会导致水体污染和土壤污染，同时其挥发性有机化合物也对操作人员的健康构成威胁^[6]。因此，研究金属切削液的替代技术已成为绿色制造领域的重要课题。干式切削技术作为一种有效的替代方案，通过刀具涂层和工艺参数优化，能够显著减少切削液的使用，从而降低环境污染并提升加工效率^[2]。这一技术的研究与应用对于推动制造业向绿色、低碳方向转型具有重要意义。

1 干式切削技术概述

干式切削技术是一种在机械加工过程中不添加任何冷却液或润滑剂的新型切削工艺，其核心在于通过优化刀具性能和切削参数来实现高效、环保的加工过程^[2]。相较于传统切削方式，干式切削显著减少了因切削液使用而产生的环境污染问题，同时降低了能源消耗和生产成本^[8]。在绿色制造背景下，干式切削技术以其零污染、高能效的特点成为重要的研究方向。例如，干式车削和铣削等工艺不仅消除了切削液废液对环境的危害，还通过高性能刀具和先进的机床设备提升了加工精度与效率^[10]。此外，干式切削技术的发展也推动了相关领域的技术进步，为实现可持续发展目标提供了有力支持。

2 干式切削刀具涂层

2.1 刀具涂层工作原理

刀具涂层通过物理或化学方法在刀具表面形成一层具有特殊性能的保护膜，从而显著改变刀具的表面性能。这种涂层能够有效降低切削过程中的摩擦系数，减少切削力与切削热的产生，进而提升切削效果^[3]。同时，涂层还能显著提高刀具的耐热性，使其在高温环境下仍能保持稳定的切削性能，延长刀具寿命^[4]。此外，涂层还可以增强刀具的抗磨损性和抗粘附性，减少切屑对刀具表面的损伤，从而进一步提高加工质量和效率。

3.2 常见刀具涂层类型及特点

常见的刀具涂层类型主要包括硬质涂层和软质涂层。硬质涂层，如TiN、TiCN和TiAlN等，具有高硬度、高耐磨性和良好的耐热性，适用于高速切削和重负荷加工场景，能够显著提高刀具的耐用度和加工效率^[3]。而软质涂层，如MoS2和WS2等，则以其低摩擦系数和良好的润滑性能著称，适用于低速切削和精密加工，可有效减少切削热和刀具磨损^[4]。不同类型的涂层因其独特的性能特点，在干式切削中对切削效果的影响也各不相同，合理选择涂层类型对于优化切削性能至关重要。

3 干式切削工艺参数优化

3.1 切削速度的影响及优化

切削速度在干式切削过程中对切削力、切削温度、刀具寿命和加工质量具有显著影响。较高的切削速度能够有效降低切削力，因为高速切削可以减少刀具与工件之间的接触时间，从而减小摩擦力的作用^[2]。然而，过高的切削速度会导致切削温度急剧上升，这对刀具的耐热性和耐磨性提出了更高要求。切削温度的升高会加速刀具磨损，进而缩短刀具寿命，并可能影响加工表面的质量^[10]。因此，在实际应用中，需要根据工件材料和刀具特性选择合适的切削速度。例如，对于硬度较高的金属材料，应适当降低切削速度以延长刀具寿命；而对于易加工材料，则可提高切削速度以提升生产效率。此外，刀具涂层的应用也为切削速度的优化提供了更多可能性，通过改善刀具表面性能，可以在较高速度下保持稳定的切削效果^[2]。

3.2 进给量的影响及优化

进给量是影响切削效率和表面粗糙度的重要工艺参数。较大的进给量可以显著提高切削效率，但在干式切削条件下，过大的进给量会导致切削力增加，从而加剧刀具磨损并恶化加工表面质量^[10]。特别是在高精度加工中，进给量的选择尤为关键，因为其直接影响表面粗糙度的形成。为了在不同加工要求下优化进给量，必须综合考虑工件材料、刀具特性和加工精度需求。例如，在粗加工阶段，可适当增大进给量以提高生产效率；而在精加工阶段，则需减小进给量以确保表面质量。此外，进给量的优化还需结合切削速度和切削深度的调整，以实现最佳的加工效果^[2]。研究表明，通过合理匹配进给量与其他工艺参数，可以在保证加工质量的同时最大限度地提升切削效率^[10]。

3.3 切削深度的影响及优化

切削深度对切削负荷和刀具磨损具有重要影响，合理选择切削深度是平衡切削效率和质量的关键因素。较大的切削深度会增加切削负荷，导致刀具承受更大的应力，从而加速刀具磨损并可能引发刀具断裂的风险^[2]。然而，过小的切削深度虽然可以降低切削负荷，但会增加加工次数，从而降低生产效率。因此，在实际加工中，需根据工件材料特性、刀具强度和机床性能等因素综合确定切削深度。例如，对于韧性较高的材料，可适当增大切削深度以减少加工次数；而对于硬度较高的材料，则需减小切削深度以延长刀具寿命^[10]。此外，切削深度的优化还需结合切削速度和进给量的调整，以实现最佳的加工效果。研究表明，通过合理分配切削深度，可以在保证加工质量的同时最大限度地提高切削效率^[2]。

4 实际案例分析

4.1 案例介绍

本案例选取某机械制造企业中的复杂零件加工为研究对象，该零件材料为高强度合金钢，具有较高的硬度和耐磨性，加工要求表面粗糙度Ra≤1.6μm，尺寸精度需控制在IT7级以内。为满足绿色制造需求，选用干式切削技术进行加工。在刀具涂层方面，初选两种常见涂层：一种是TiN硬质涂层，另一种是MoS₂软质涂层。初始工艺参数设定为切削速度150m/min，进给量0.2mm/r，切削深度2mm。^[2][10]

4.2 不同涂层与参数组合的对比

通过实验对比不同刀具涂层与工艺参数组合的表现。当采用TiN硬质涂层时，在较高切削速度（180m/min）下，表面粗糙度可达Ra1.4μm，尺寸精度稳定在IT7级，但刀具寿命较短，约为60min；而降低切削速度至120m/min，刀具寿命延长至90min，表面粗糙度略有上升为Ra1.8μm。使用MoS₂软质涂层时，在较低进给量（0.15mm/r）条件下，表面粗糙度能达到Ra1.2μm，刀具寿命达80min，但生产效率相对较低。通过优化工艺参数，如将切削深度调整为1.5mm，进给量优化至0.18mm/r，切削速度保持在160m/min，采用TiN涂层时，表面粗糙度维持在Ra1.5μm，尺寸精度符合IT7级要求，刀具寿命提升至75min，生产效率显著提高。这些数据充分验证了合理选择刀具涂层与优化工艺参数组合对提升加工质量、延长刀具寿命及提高生产效率的有效性。^[2][10]

5 推广应用面临的难题及应对措施

5.1 成本增加问题

干式切削刀具涂层和工艺参数优化在推广应用过程中，不可避免地会面临成本增加的问题。首先，涂层材料成本是一个重要因素，高性能涂层材料通常价格昂贵，例如某些硬质涂层材料因其复杂的制备工艺和优异的性能而导致成本较高^[1]。其次，设备改造成本也不容忽视，为了实现干式切削，可能需要更新或改造现有的机床设备，以适应新的切削条件，这无疑增加了企业的初始投资^[5]。此外，工艺参数优化过程中可能涉及的试验和调试费用也会进一步推高成本。针对这些问题，可以采取一系列降低成本的可行措施。一方面，通过优化涂层制备工艺，如改进沉积技术、提高材料利用率等方式，可以有效降低涂层材料的成本^[1]。另一方面，提高设备利用率也是降低成本的重要途径，合理安排生产计划，避免设备闲置，同时加强设备的维护保养，延长其使用寿命，从而分摊设备改造成本^[5]。

5.2 技术适配性问题

干式切削技术在不同行业、不同加工场景下的适配性难题同样不容忽视。在材料适应性方面，不同材料的物理和化学特性差异较大，某些材料可能不适合采用干式切削技术，例如一些高粘性或高硬度的材料，在干式切削过程中可能会面临切削力过大、刀具磨损严重等问题^[1]。在机床匹配性方面，现有的机床设备可能无法满足干式切削的要求，例如主轴转速、进给系统精度等关键参数可能需要调整或升级，这对企业而言是一个技术挑战^[5]。为了解决技术适配性问题，可以采取以下措施。一是开展针对性研发，根据不同行业和加工场景的需求，开发适用于特定材料和机床的干式切削技术和刀具涂层，提高技术的适配性^[1]。二是加强技术培训和指导，帮助企业技术人员更好地理解和掌握干式切削技术，提高其应用能力，从而解决实际应用过程中遇到的问题^[5]。

6 未来发展趋势展望

6.1 新型涂层材料研发方向

随着绿色制造理念的不断深入，新型刀具涂层材料的研发成为推动干式切削技术发展的关键领域。纳米涂层因其独特的微观结构和优异的物理化学性能，正逐渐成为研究热点。纳米涂层通过将涂层材料颗粒细化至纳米级别，能够显著提升涂层的硬度、耐磨性和耐热性，从而有效延长刀具寿命并提高切削效率。此外，多功能涂层的研发也展现出广阔的应用前景。这类涂层不仅具备传统涂层的润滑和隔热功能，还能通过引入特殊材料实现自修复或抗菌等附加功能，进一步满足复杂加工环境的需求。例如，在高速切削过程中，多功能涂层可以通过自身的热稳定性减少切削热对刀具的影响，同时降低摩擦系数以减少切削力。这些新型涂层材料的应用将为干式切削技术提供更强大的技术支持，并推动其在更多领域的应用普及，如航空航天、汽车制造和医疗器械等行业。

6.2 智能化工艺参数调控技术发展

智能化工艺参数调控技术是未来干式切削技术发展的重要方向之一。基于人工智能的切削参数优化系统能够通过实时监测和分析切削过程中的关键数据，如切削力、切削温度和表面粗糙度，自动调整切削速度、进给量和切削深度等工艺参数，从而实现切削效率和质量的最大化。这种智能系统不仅可以减少人为干预带来的误差，还能根据实际加工条件动态优化参数组合，确保切削过程始终处于最佳状态。例如，在加工复杂零件时，智能化系统可以根据零件的几何特征和材料特性，快速生成最优的切削路径和参数设置，从而显著提高加工精度和生产效率。此外，随着物联网和大数据技术的不断发展，智能化工艺参数调控系统还可以实现与其他生产设备的无缝对接，形成智能化的生产网络，进一步提升制造业的整体效率和绿色化水平。这种技术发展趋势将为干式切削技术的广泛应用提供强有力的技术保障，同时也为绿色制造的实现开辟了新的路径，特别是在智能制造和工业4.0的背景下，具有重要意义。

参考文献：

[1]张延鹏;文静.绿色制造技术在机械制造中的运用探析[J].中国设备工程,2023,(24):220-222.

[2]齐威;金艳.绿色加工技术在工业生产中的实施途径与工艺路线优化方向[J].农机使用与维修,2021,(4):57-58.

[3]严黎明;蔺国民;于彩云.基于绿色制造技术的金属切削刀具的选用方法研究[J].科学技术创新,2021,(11):56-57.

[4]丁丰梅;骆军军.基于绿色制造的干式切削技术的研究与应用[J].机械设计与制造,2011,(1):109-111.

[5]邓皓月.绿色机械加工技术的应用和发展[J].自动化应用,2023,64(22):3-5.

[6]刘俊杰;肖宁;张利生.绿色制造的新型机械制造工艺技术[J].内燃机与配件,2020,(22):104-106.

[7]何刚.机械加工制造中的绿色制造工艺[J].科学技术创新,2020,(14):168-169.

[8]刘永芳.绿色机械加工技术及应用研究[J].内燃机与配件,2020,(12):129-130.

[9]黄春莲.机械制造过程中金属切削刀具的应用[J].南方农机,2022,53(21):135-138.

[10]梁睿陶;张哲铭.绿色机械加工技术的应用及发展[J].山东工业技术,2017,(18):18-18.

[11]郭慧玲.绿色制造的新型机械制造工艺技术研究[J].石油石化物资采购,2019,(33):13-13.

[12]姚翠萍;张文杰.绿色机械加工技术的应用分析与发展探讨[J].技术与市场,2017,24(1):72-72.

[13]秦录芳;孙涛.干切削技术的研究和应用进展[J].组合机床与自动化加工技术,2013,(4):9-12.

作者简介：刘军林（1968—），男，汉族，中专，陕西宝鸡人，研究方向为机械制造。