前言、金屬切削液對于提高加工生產率居功至偉。冷卻液可以降低切削溫度、提供潤滑作用和輔助排屑。然而，冷卻液的成本、對廢液處理造成的環境影響日益增加的關注，以及對切屑回收再利用的考慮，正促使許多加工車間將干式切削或最小量潤滑(MQL)切削視為可能的替代加工方案。
干式切削的生存能力取決于幾個要素。某些工件的特點可能會使干式切削顯得不切實際：加工散熱性差、會很快發生加工硬化或粘性較大的工件材料可能仍然需要使用冷卻液。金屬切削工藝本身的特性也起著至關重要的作用。例如，在銑削和車削加工中，切屑的形成不受阻礙，而在鉆削加工中，刀具、切屑以及產生的切削熱都深藏于工件內部，排屑和散熱都很困難。
盡管干式鉆削頗具挑戰性，但該工藝和與其相近的最小量潤滑(MQL)鉆削在鋁和鑄鐵材料的加工中正日益流行。“汽車制造業大量使用這些材料，并通過干式鉆削和MQL鉆削獲得了減少使用冷卻液的益處。”不過他補充到，在實施干式鉆削時，刀具涂層必不可少。
據表面工程顧問、刀具行業資深專家介紹，干式鉆削刀具涂層的一個主要發展方向是增加具有自潤滑功能、相對較軟的涂層。此類涂層通常包括碳化鎢/碳(WC/C)涂層、類金剛石無定形碳(DLC)涂層或鉬基材料涂層。
“軟涂層”是一個相對的概念。傳統的硬涂層(如TiCN或TiAlN涂層)其硬度大約為HV2000-3000，而自潤滑涂層的硬度約為HV500-1200。Quinto博士說，較軟的涂層通常涂覆在硬涂層的上面。“先在刀具基體上涂覆一種最優化的PVD涂層，然后在其上涂覆WC/C、DLC或鉬基材料。”
涂覆在硬涂層之上的潤滑涂層主要起到兩個作用。第一，減小刀具切削刃的摩擦和減輕“磨合”現象。在切削開始后的最初幾秒鐘或幾分鐘，刀具通常會有一個磨損快速增大的階段(即磨合階段)，此后刀具磨損逐漸減小，進入較輕微的、循序漸進的正常磨損階段。Quinto博士說，“在初始磨損階段，軟涂層可以減小切削力。然后，當軟涂層被磨損殆盡后，就主要由下面的硬涂層發揮作用了。”
潤滑涂層的第二個作用是加速排屑，這對于干式鉆削非常關鍵。Quinto博士解釋說，“當切屑形成后，必須將其迅速排出，以免發生切屑堵塞。”涂覆在鉆頭實際切削刃后面的排屑槽上、具有潤滑作用的軟涂層能促使切屑流更快地通過排屑槽排出孔外，因為在排屑槽部位不會發生嚴重的磨料磨損。
Guhring公司的Hellinger說，該公司大約在10年前開始與德國政府合作，開發在切削加工中減少使用冷卻液的技術。“我們開發的第一種真正的干式切削刀具涂層由多層TiAlN和TiN涂層組成，其頂層采用了具有潤滑功能的二硫化鉬型涂層。”這種復合涂層采用PVD工藝涂覆。涂層順序為：底部為多層的硬涂層(Guhring公司稱其為Firex涂層)，先涂一層TiN涂層，其上再涂一層TiAlN涂層，然后交替涂覆這兩種涂層。Hellinger解釋說，“這些硬涂層可以起到抗磨損和耐熱的作用，因為這種材料的開始氧化溫度為800℃。”他認為，頂部的二硫化鉬涂層(稱為Moly-Glide涂層)很像用于不粘鍋表面的特氟龍。盡管它并不具有硬涂層的耐磨功能，但“將其涂覆在任何涂層或基體的最上面時，就能防止其他材料與其發生粘附。從而可以消除積屑瘤，并使切屑順暢流動，其作用就像潤滑劑一樣。”
關于涂層性能的比較，Hellinger列舉了一個在鑄鐵材料上鉆削孔徑18mm、孔深50mm孔的加工實例。用一支TiAlN涂層鉆頭，以100sfm的切削速度、14.7ipm的進給率進行干式鉆削，在必須重磨鉆頭之前，能夠加工400個孔。而用Guhring公司相同直徑、但采用Firex/MolyGlide多層涂層的鉆頭以相同的切削參數進行加工時，在重磨鉆頭前可以加工1200個孔。盡管Firex/MolyGlide涂層鉆頭的成本要比原來使用的TiAlN涂層鉆頭高出大約30%，但由于原來的鉆頭壽命較短而導致的重磨和停機成本卻比替換鉆頭高3倍。
Guhring公司最近推出一種納米多層牌號的Firex涂層，該涂層由大約80層納米尺度的涂層組成，總厚度為1.5-5μm。Hellinger解釋說，“每層涂層的厚度更薄，有助于防止裂紋擴散，避免裂紋向下延伸到基體材料而對刀具造成更大沖擊。”
Quinto博士認為，PVD工藝用于涂覆這種多層涂層具有一定優勢，因為它能提供一種“混合和匹配涂層的能力，你可以將多層涂層中每一層的厚度設計得非常薄，通常厚度可小至20-30nm。你可以隨時調整涂層的成分和結構，你還可以通過設計增加涂層的韌性。”
涂層各層厚度的優化調整是刀具制造商住友電工硬質合金公司最近升級更新的一種類金剛石碳(DLC)涂層的關注焦點。該公司的助理工程經理Rich Maton介紹說，該涂層最初是一種單獨使用的涂層(而不像現在這樣涂覆在一種傳統的硬涂層之上)，用于切削加工鋁和其他有色金屬材料。“當刀具切削加工鋁件時，切屑持續不斷地滑過刀片的刀面。鋁極具磨蝕性，并會產生大量切削熱。”DLC涂層能減小工件與刀具之間的摩擦系數。
這種改進后的新涂層采用了更多的層數，以增大涂層的最終厚度。以前的涂層總厚度為0.05-0.1μm，而改進更新后的涂層總厚度達到0.4-0.5μm。在剛開始嘗試生產一種較厚的涂層時，遇到了涂層與刀具基體粘附性能不穩定的問題。Maton說，住友公司開發了能將很多較薄的DLC層重疊成較大的最終厚度，同時又能提高涂層與基體粘附性能的技術。這種改進后的涂層既具有潤滑能力，同時又通過增大涂層厚度，提高了耐磨性能。
Maton指出，最初的DLC涂層是一種有光澤的金屬藍色，而現在新的DLC涂層則呈現出金色和綠色，這是因為涂層層數的變化改變了涂層表面的棱鏡折射特性。
改進后的涂層也進一步提高了潤滑性。Maton說，“我們有一種表面高度磨光、用于鋁加工的未涂層硬質合金牌號H1，當我們在其上加涂了DLC涂層(DL1000牌號)后，刀具表面變得極其光滑，不僅切屑能很容易地從上面流過，而且刀具表面具有更好的潤滑性和更小的摩擦系數。”另一個結果是提高了高磨蝕性加工中的刀具壽命，“不僅切屑不會粘結在硬質合金刀片上，而且刀片的耐磨性也進一步提高。”
干式鉆削的關鍵是控制會降低刀具性能的切削熱。與TiN涂層相比，TiAlN和AlTiN涂層具有更好的耐熱性，因為鋁在加工過程中會形成氧化鋁薄膜，它可以起到熱屏障的作用，并促使切削熱傳入切屑(而不是刀具)之中。最近，刀具制造商開發了包含鉻元素和硅元素的新型涂層材料，以通過形成氧化鉻和氧化硅，進一步增強涂層的熱屏障作用。
涂層供應商歐瑞康巴爾查斯美國公司(Oerlikon Balzers USA Inc.)的銷售部高級經理Thomas Schattauer介紹說，該公司的AlCr基Balinit Helica多層涂層特別適合干式鉆削，因為該涂層在典型的鉆削高溫下具有高硬度，并能提供高達1100℃的抗氧化溫度。此外，它還擁有低摩擦系數(與鋼的干摩擦系數為0.25)，有助于排屑。
Schattauer指出，在干式鉆削中，為確保通過切屑排除切削熱，選用適當的進給率至關重要。如選用的進給率太小，切屑吸收的熱量有限，會使大部分熱量流入刀具中，從而加速其失效。許多加工車間認為，為了成功實施干式鉆削，必須選用非常保守的切削參數。但實際上，為了使高效涂層發揮作用，就需要選取較大的切削參數。例如，與采用非涂層鉆頭相比，采用Balinit Helica涂層鉆頭進行干式鉆削時，允許將進給率提高30%。
位于美國明尼蘇達州的Rushford (Minn.) Hypersonic LLC公司推出了一種可以提高干式鉆削生產率的涂層技術。該公司成立于2007年，主要從事極超音速等離子體顆粒沉積(HPPD)涂層工藝的商業化應用工作。該技術由明尼蘇達大學機械工程系開發并擁有專利。這種涂層工藝集成了化學氣相沉積(CVD)工藝與納米顆粒等離子體沉積工藝的特點。當粒度為4-40nm的納米顆粒涂層材料以超過8倍音速(2400m/sec以上)的運動速度撞擊被涂表面時，就會因撞擊而發生相變，使其滲入基體表面并與其牢固結合在一起，而不僅僅是簡單地涂覆在基體表面。這種涂層的硬度范圍為36-50GPa，斷裂韌性約為6MPa。通過將氣相硅和碳氫化合物前體注入ArNH2等離子體中，就可以制備出各種硅、碳和碳化硅涂層。
Rushford Hypersonic公司總裁兼首席執行官Daniel Fox表示，這種涂層由厚度約為1-10μm(取決于加工要求)的單層涂層構成。由于涂層成分與基體材料牢固地結合為一體，因此，“如果要想取下涂層材料，就必須連同基體的一部分一起取下來。”
進行這些初期切削試驗的目的是“對價格最便宜的鉆頭進行涂層，并考察可以期望其達到多長的使用壽命。”Rushford公司目前正開始對銑削用涂層進行試驗。Fox補充說，HPPD涂層的應用并不僅僅局限于切削刀具，它也能用于模具、拉擠成型設備、軸承、凸輪、氣缸壁和可植入人體的醫療器件等，以起到減輕磨損的作用。
最后、干式鉆削的任何潛在應用都必須考慮刀具系統、工件以及零件的特點和要求。同時也要考慮其他一些因素，例如，住友公司的Maton指出，決定是否采用干式鉆削應考慮加工批量，“如果需要以盡可能快的速度加工大批量的孔，通常應使用冷卻液;但如果加工批量不大，則可以采用干式鉆削。選擇加工方式時必須綜合權衡。”不過，當加工車間在權衡了各種因素后，決定采用少用或不用冷卻液的加工方式時，刀具制造商將為它們開發和提供能最大限度提高生產率的各種先進涂層
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