绿色切削技术探讨

HEATS

1 引言

    在金属切削加工过程中，通常都要使用切削液。切削液的大量使用给环境和人体健康带来了很大危害，迫使人们不断研究开发新技术以改变现状。因此，近年来绿色制造技术成为国际上的研究热点。

    绿色切削技术是绿色制造的一个组成部分，它是指对生态大环境和加工现场小环境均无毒副作用（或副作用很小），在加工过程中产生的少量“三废”（废气、废液和废渣）在链条末端可回收或自然降解，达到无公害的环保要求，对人的健康和环境没有危害的切削技术。

    对于绿色切削加工，国际上相应地制定了一系列标准。1996年4月，国际机械学会制定了关于清洁加工的ISO14000国际标准。德国、美国、加拿大和日本等国也相继制定了更加严格的工业排放标准，进一步限制了切削液的使用。作为有毒废料的切削液以及带有切削液的切屑的排放和处理大大增加了回收处理成本，与切削液相关的费用约占加工成本的17％。

    无公害、清洁化、低能耗的绿色制造是21世纪机械制造业的发展方向。因此，研究开发新的绿色切削技术，减少切削液给环境带来的污染，寻求绿色环保的冷却润滑技术，是绿色切削技术推广应用的重要课题。绿色切削技术符合可持续发展战略的要求，必将推动机械工业的持续、健康发展。

    2 干式切削


    干式切削是指在切削加工过程中不使用任何切削液，完全消除了切削液的负面影响，是一种符合生态要求的绿色切削加工方式。它的优点主要有：对大气和水环境无污染；切屑上无残液，降低了清洁处理成本；对人的健康无害且不会损伤皮肤或造成过敏。干式切削技术目前主要应用于铸铁件的加工，在其它方面的推广应用正在进一步研究开发。

    干式切削的实施需要满足一定的条件，主要包括：

    （1）要求机床具有很好的热稳定性和很高的刚度，否则难以保证加工精度。

    （2）对刀具提出了新的要求。主要包括刀具材料的选择和刀具几何参数的设计。由于干式切削不使用切削液，因此切削温度很高。只有具有良好导热性、耐高温和高硬度的刀具材料才能满足加工要求，目前在干式切削中应用较多的刀具材料有CBN和PCD等。刀具涂层技术（CVD和PVD涂层技术、纳米涂层技术等）的应用可以延长刀具寿命，较好满足干式切削的要求。优化刀具的几何参数，可以提高加工精度和延长刀具使用寿命，也是推动干式切削技术发展的重要手段之一。

    目前，干式切削技术还存在许多不足和限制其推广应用的技术难题。由于失去了切削液的润滑、冷却、辅助排屑等作用，刀具在加工中承受的负荷增大，切削温度升高，刀—屑界面处于完全的二相固体接触状态，刀具磨损过程异常复杂，刀具与工件均易发生热变形，导致刀具使用寿命缩短，加工表面质量降低。此外，对于机床本身而言，由于不能保持热平衡，机床的床身、立柱等也会因温度升高而发生不容忽视的变形。

    干式切削技术的发展主要取决于机床和刀具性能的提高和改进，即：

    （1）提高机床性能。一方面提高机床的热稳定性和抗热变形能力；另一方面通过提高机床的主轴转速，发展高速（超高速）干式切削技术，以大幅度提高生产效率，减小切削力，并获得良好的表面加工质量。

    （2）开发新的刀具材料和涂层技术。通过提高刀具材料的导热性、耐热性、自润滑性和耐磨性，延长刀具使用寿命，保证干式切削的加工精度。

    3 液氮冷却切削

    液氮冷却切削是利用液氮特性，在切削区形成局部低温（或超低温），从而改变工件材料的物理力学性能使其有利于加工的先进切削技术。美国怀特州立大学的S Y Hong博士对液氮冷却车削加工的研究表明，硬质合金刀具材料在液氮冷却切削条件下能够保持良好的切削性能。林肯大学的Z Y Wang车削氮化硅陶瓷的试验表明，在液氮冷却条件下，刀具磨损可减小约4倍，工件表面粗糙度值可减小6倍多。液氮冷却切削对于钛合金、低合金钢、软钢及一些高塑（韧）性复合材料等难加工材料的加工非常有利。

    目前，液氮冷却切削技术主要存在以下需要解决的问题：
    （1）液氮的存储、运输等费用带来了附加成本；
    （2）液氮在切削加工中的润滑性不够；
    （3）液氮使用的安全性需要特别加以注意；
    （4）在超低温下切削出来的工件表面具有极强的化学活性，暴露在空气中会很快生锈，因此必须解决工件防锈问题；
    （5）尚需对不同工件材料的低温切削性能以及刀具的切削特性等作进一步深入研究。

    4 水蒸汽冷却切削

    水蒸汽冷却切削是将过热水蒸汽喷射到切削区以达到冷却润滑的一种切削方法。它的切削系统由水蒸汽发生装置、水蒸汽传输与控制系统和机床系统组成。前苏联学者Podgorkv V V和Godelviski V A在上世纪90年代提出了这种切削加工方法。哈尔滨工业大学也对此做过初步研究，并取得了一定成果。研究表明，水蒸汽冷却切削可以减小切削力和工件表面粗糙度值，明显降低切削温度，生成的切屑更规则合理，润滑性有所提高。水蒸气价格低廉又无污染，是一种很好的绿色润滑剂。目前，该技术仍处于研究阶段，主要存在以下问题：
    （1）水蒸汽发生装置能耗较大，尚须进一步研究能耗低、保温性好、结构简单合理的水蒸汽发生装置。
    （2）水蒸汽的润滑机理还需进一步深入研究，切削过程的润滑模型尚不明确。
    （3）尚需对不同的工件材料进行大量切削性能试验和研究，选择合理的加工参数及确定最优喷射角度和流量等。

   5 气体射流冷却切削

    气体射流冷却切削是以一定压力的射流气体冲刷加工区以获得冷却效果的切削加工方法。日本学者对这种加工方法所做的研究工作较多。我国华东船舶工业学院也做了这方面的研究工作，并取得了较好效果。研究表明，气体射流冷却切削在冷却效果、工件加工质量和刀具使用寿命等方面均有益处。目前国内对该技术的研究还处于起步阶段，尚须开展以下研究工作：
    （1）气体射流冷却切削参数（包括气体压力、温度、气流速度、喷口直径及喷射方向等）的优化设计。
    （2）气体射流冷却切削机理的分析研究。
    （3）尚需对不同工件材料的气体射流冷却切削性能进行大量的试验研究。

    6 低温风冷切削

    低温风冷切削是在加工过程中用－10℃～－100℃的冷风冲刷加工区，从而降低刀具和工件温度的一种切削技术。它的切削系统主要由冷风发生装置和切削加工系统组成。日本对此项技术的研究较早，开发水平较高。1996年横川和彦教授就开始对低温风冷切削进行了较全面的研究。国内的重庆大学也进行过此类研究，并取得了一定成果。研究表明，低温风冷切削可显著降低切削区温度，提高刀具耐磨性，延长刀具使用寿命，改善加工表面质量，且对环境完全无污染。

    对于该技术的研究还存在一些问题。首先，低温冷风切削对于不同的被加工材料有着不同的影响，而国内对这方面的研究工作开展较少，缺乏试验数据，难以提供科学、合理的切削参数。其次，该方法的冷却润滑系统比较复杂，不利于推广应用。第三，该方法只有冷却功能而无润滑功能（如果在冷风中添加微量切削油，可以解决润滑性问题，但对环境

    有一定影响，属于准绿色切削）。此外，使用时发出的噪声较大。最后，对风冷切削技术缺乏系统性的试验研究，对一系列技术参数没有量化和优化。对不同条件下不同材料的切削性能有待进一步深入研究。

    低温风冷切削技术有一定的应用前景，但对以下课题须作进一步研究开发：
    （1）开发低耗能、高效率、调节范围大和无污染的低温风冷装置。
    （2）开展系统性的研究。对不同条件下不同材料的低温切削性能进行大量实验研究，整理和分析实验数据，为下一步研究作准备。
    （3）调整机床结构，提高与低温风冷系统的适配性，推动低温风冷切削技术在机械工业中的小范围应用。

    7 最小量润滑（MQL）切削

    最小量润滑（Minimal Quantities of Lubricant, MQL）切削是指将压缩空气与极微量的润滑液混合汽化后喷射到加工区进行有效润滑的一种切削加工方法。它可以大大减少切削液的用量（一般仅为0.03～1.2L/h），可有效减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，防止粘结，延长刀具寿命，提高加工表面质量。目前，该技术主要用于铸铁、钢和铝合金等的钻孔、铰孔、攻丝、深孔钻削、铝合金端面铣削等。
    在加工过程中，润滑油在空气中形成的油气雾对环境和人的健康有害。美国Cicinati大学和Techsolve Inc.公司的联合研究表明：在Tongil TNV-80 CNC立式加工中心上分别以11ml/min和6.5L/min的用量对AISI/SAE 4340钢件进行铣削和钻削时，在较低的切削速度和金属切除率下，MQL造成的空气中油雾微粒生成率在钻削时是传统注浇法的340~3300倍，在铣削时是其100～140倍。因此，采用MQL切削技术必须在机床上添加封闭、通风和空气清新设施，这必然带来一定的附加成本。
    结合目前的研究开发现状，提出如下MQL切削技术的研究方向：
    （1）对油雾微粒的生成机理进行深入研究，并提出有效、实用的防护措施。通过技术措施将油雾微粒在大气中的浓度降至最低，实现对人体和环境无害（或危害最低）的准绿色切削。
    （2）加强对MQL油雾发生装置的设计研究。目前大多数MQL装置都是采用压缩空气作为油雾传送载体，很难控制油雾微粒的大小和分布，因此传送单元和油雾控制口的设计将是研究重点。
    （3）因为切削参数和切削速度都会对油雾微粒生成率造成影响，因此还需对切削参数对油雾微粒生成率的影响做大量研究。

    8 结语

    本文对绿色切削技术领域一些常见的分支技术作了较系统的介绍和分析。其中，干式切削、液氮冷却切削、水蒸汽冷却切削、气体射流冷却切削及低温风冷切削等均属于绿色切削技术；最小量润滑（MQL）切削技术和在冷风中加微量切削油的低温冷风切削技术则属于准绿色切削技术。绿色切削技术可以提高刀具使用寿命及加工质量，且对环境无污染，对人体健康无害，在实际应用中取得了良好效果，是金属切削加工领域今后的发展方向。目前，高速（超高速）干式切削技术和开发无污染的生态切削液是绿色切削技术的发展重点。在21世纪制造业的发展过程中，绿色切削技术必将得到更快的发展和更广泛的应用。

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