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官方微信摘要 1、引言在金屬切削加工過程中，通常都要使用切削液。切削液的大量使用給環境和人體健康帶來了很大危害，迫使人們不斷研究開發新技術以改變現狀。因此，近年來綠色制造技術成為國際上的研究熱點...
1 、引言(yan)
在金屬切削加工過程中，通常都要使用切削液。切削液的大量使用給環境和人體健康帶來了很大危害，迫使人們不斷研究開發新技術以改變現狀。因此，近年來綠色制造技術成為國際上的研究熱點。
綠色切削技術是綠色制造的一個組成部分，它是指對生態大環境和加工現場小環境均無毒副作用（或副作用很小），在加工過程中產生的少量“三廢”（廢氣、廢液和廢渣）在鏈條末端可回收或自然降解，達到無公害的環保要求，對人的健康和環境沒有危害的切削技術。
對于綠色切削加工，國際上相應地制定了一系列標準。1996年4月，國(guo)際機(ji)械(xie)學(xue)會制(zhi)定(ding)了關(guan)于清(qing)潔加工的(de)(de)(de)(de)ISO14000國(guo)際標準(zhun)。德國(guo)、美國(guo)、加拿(na)大和(he)日本(ben)等國(guo)也相(xiang)繼(ji)制(zhi)定(ding)了更加嚴格(ge)的(de)(de)(de)(de)工業排(pai)放(fang)標準(zhun)，進一步限制(zhi)了切(qie)削液(ye)的(de)(de)(de)(de)使(shi)用。作為有毒廢(fei)料的(de)(de)(de)(de)切(qie)削液(ye)以及帶有切(qie)削液(ye)的(de)(de)(de)(de)切(qie)屑(xie)的(de)(de)(de)(de)排(pai)放(fang)和(he)處理(li)大大增加了回收處理(li)成本(ben)，與切(qie)削液(ye)相(xiang)關(guan)的(de)(de)(de)(de)費(fei)用約占加工成本(ben)的(de)(de)(de)(de)17％。
無公害、清潔化、低能耗的綠色制造是21世紀機(ji)械(xie)制造業的(de)發(fa)展(zhan)方向。因此，研究開發(fa)新的(de)綠(lv)(lv)色切削技術(shu)，減(jian)少切削液給環(huan)境帶來的(de)污(wu)染，尋求綠(lv)(lv)色環(huan)保的(de)冷卻(que)潤(run)滑技術(shu)，是綠(lv)(lv)色切削技術(shu)推廣(guang)應用的(de)重要課(ke)題。綠(lv)(lv)色切削技術(shu)符合可持(chi)續發(fa)展(zhan)戰(zhan)略的(de)要求，必(bi)將推動機(ji)械(xie)工業的(de)持(chi)續、健(jian)康(kang)發(fa)展(zhan)。
2 、干(gan)式切削
干式切削是指在切削加工過程中不使用任何切削液，完全消除了切削液的負面影響，是一種符合生態要求的綠色切削加工方式。它的優點主要有：對大氣和水環境無污染；切屑上無殘液，降低了清潔處理成本；對人的健康無害且不會損傷皮膚或造成過敏。干式切削技術目前主要應用于鑄鐵件的加工，在其它方面的推廣應用正在進一步研究開發。
干式切削的實施需要滿足一定的條件，主要包括：
（1）要求機床具有(you)很好(hao)的(de)熱穩定性和很高的(de)剛度，否則難以(yi)保證加工精度。
（2）對(dui)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)提出(chu)了新的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)。主要(yao)包括刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)材(cai)料的(de)(de)(de)選擇和(he)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)幾何(he)參(can)(can)數的(de)(de)(de)設(she)計(ji)。由于干式(shi)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)不使(shi)用(yong)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)液(ye)，因此(ci)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)溫(wen)度很高(gao)。只有(you)具(ju)(ju)(ju)(ju)有(you)良好(hao)導熱性、耐高(gao)溫(wen)和(he)高(gao)硬(ying)度的(de)(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)材(cai)料才能滿足加工要(yao)求(qiu)，目前(qian)在干式(shi)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)中應(ying)用(yong)較多的(de)(de)(de)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)材(cai)料有(you)CBN和(he)PCD等。刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)涂層技(ji)術(shu)（CVD和(he)PVD涂層技(ji)術(shu)、納米涂層技(ji)術(shu)等）的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)可以(yi)延(yan)長(chang)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)壽命，較好(hao)滿足干式(shi)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)。優化刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)的(de)(de)(de)幾何(he)參(can)(can)數，可以(yi)提高(gao)加工精度和(he)延(yan)長(chang)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)(ju)使(shi)用(yong)壽命，也(ye)是(shi)推動干式(shi)切(qie)(qie)(qie)削(xue)(xue)技(ji)術(shu)發展的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)手段之一。
目前，干式切削技術還存在許多不足和限制其推廣應用的技術難題。由于失去了切削液的潤滑、冷卻、輔助排屑等作用，刀具在加工中承受的負荷增大，切削溫度升高，刀—屑界面處于完全的二相固體接觸狀態，刀具磨損過程異常復雜，刀具與工件均易發生熱變形，導致刀具使用壽命縮短，加工表面質量降低。此外，對于機床本身而言，由于不能保持熱平衡，機床的床身、立柱等也會因溫度升高而發生不容忽視的變形。
干式切削技術的發展主要取決于機床和刀具性能的提高和改進，即：
（1）提(ti)(ti)高(gao)(gao)機床(chuang)性能(neng)。一方面(mian)提(ti)(ti)高(gao)(gao)機床(chuang)的熱(re)穩定性和抗熱(re)變形能(neng)力(li)(li)；另一方面(mian)通過提(ti)(ti)高(gao)(gao)機床(chuang)的主(zhu)軸轉速(su)，發(fa)展(zhan)高(gao)(gao)速(su)（超高(gao)(gao)速(su)）干式切削(xue)技術，以大幅度(du)提(ti)(ti)高(gao)(gao)生產效率，減小切削(xue)力(li)(li)，并(bing)獲得良(liang)好的表(biao)面(mian)加(jia)工質(zhi)量(liang)。
（2）開發新(xin)的刀(dao)具材(cai)料和(he)涂層技術。通過(guo)提高刀(dao)具材(cai)料的導熱(re)性、耐(nai)熱(re)性、自潤滑性和(he)耐(nai)磨性，延長(chang)刀(dao)具使用壽(shou)命，保(bao)證干式切削的加工精(jing)度。
3 、液氮冷卻切削(xue)
液氮冷卻切削是利用液氮特性，在切削區形成局部低溫（或超低溫），從而改變工件材料的物理力學性能使其有利于加工的先進切削技術。美國懷特州立大學的S Y Hong博士對液氮(dan)(dan)冷(leng)卻(que)車削(xue)(xue)加(jia)工(gong)的研究表明(ming)，硬質合金(jin)刀具(ju)材(cai)(cai)料(liao)在(zai)液氮(dan)(dan)冷(leng)卻(que)切(qie)削(xue)(xue)條件下(xia)(xia)能夠保(bao)持良好的切(qie)削(xue)(xue)性能。林肯大學的Z Y Wang車削(xue)(xue)氮(dan)(dan)化硅陶瓷的試驗表明(ming)，在(zai)液氮(dan)(dan)冷(leng)卻(que)條件下(xia)(xia)，刀具(ju)磨(mo)損可減小(xiao)約4倍，工(gong)件表面粗(cu)糙度值可減小(xiao)6倍多。液氮(dan)(dan)冷(leng)卻(que)切(qie)削(xue)(xue)對于鈦(tai)合金(jin)、低(di)合金(jin)鋼、軟鋼及一些(xie)高塑（韌）性復合材(cai)(cai)料(liao)等難加(jia)工(gong)材(cai)(cai)料(liao)的加(jia)工(gong)非(fei)常有利(li)。
目前，液氮冷卻切削技術主要存在以下需要解決的問題：
（1）液氮的存儲、運(yun)輸等費用(yong)帶(dai)來了附(fu)加(jia)成本(ben)；
（2）液(ye)氮在(zai)切削加工(gong)中的潤滑性(xing)不夠；
（3）液氮(dan)使(shi)用的安(an)全性需(xu)要特別加以注意；
（4）在超低溫(wen)下(xia)切削出來的工件(jian)表面具(ju)有極強的化(hua)學活性，暴露(lu)在空氣中會很快生銹(xiu)(xiu)，因此必須解決(jue)工件(jian)防銹(xiu)(xiu)問題；
（5）尚需對(dui)不(bu)同工(gong)件(jian)材料的低溫切削(xue)性(xing)能以及刀(dao)具的切削(xue)特性(xing)等作進一步深入研究(jiu)。
4 、水(shui)蒸汽冷卻切(qie)削(xue)
水蒸汽冷卻切削是將過熱水蒸汽噴射到切削區以達到冷卻潤滑的一種切削方法。它的切削系統由水蒸汽發生裝置、水蒸汽傳輸與控制系統和機床系統組成。前蘇聯學者Podgorkv V V和Godelviski V A在上世紀90年代(dai)提出(chu)了這(zhe)種切削加(jia)工(gong)方法。哈(ha)爾濱工(gong)業大學也對此做過初步(bu)研究(jiu)，并(bing)取得(de)了一定成果。研究(jiu)表明(ming)，水(shui)(shui)蒸汽冷卻切削可以減小(xiao)切削力(li)和工(gong)件(jian)表面(mian)粗糙(cao)度值(zhi)，明(ming)顯降(jiang)低(di)切削溫度，生成的(de)切屑(xie)更規則合理，潤滑(hua)性有所提高。水(shui)(shui)蒸氣價格低(di)廉又無污染，是一種很(hen)好的(de)綠色潤滑(hua)劑。目前，該技術仍處(chu)于研究(jiu)階(jie)段，主要存(cun)在以下(xia)問題(ti)：
（1）水蒸汽(qi)發生裝置能(neng)耗較大(da)，尚須進一步研究(jiu)能(neng)耗低、保(bao)溫性好、結構簡單合理的水蒸汽(qi)發生裝置。
（2）水蒸(zheng)汽的(de)潤滑機(ji)理(li)還(huan)需進一步深(shen)入研究，切削過程的(de)潤滑模型尚不明(ming)確(que)。
（3）尚需對不同的工件材料進行大量切削性(xing)能試(shi)驗和研究，選(xuan)擇(ze)合理的加工參(can)數及確定最優噴(pen)射角度和流量等。
5 、氣體射流(liu)冷(leng)卻切削
氣體射流冷卻切削是以一定壓力的射流氣體沖刷加工區以獲得冷卻效果的切削加工方法。日本學者對這種加工方法所做的研究工作較多。我國華東船舶工業學院也做了這方面的研究工作，并取得了較好效果。研究表明，氣體射流冷卻切削在冷卻效果、工件加工質量和刀具使用壽命等方面均有益處。目前國內對該技術的研究還處于起步階段，尚須開展以下研究工作：
（1）氣體(ti)射流冷卻(que)切削(xue)參數（包括氣體(ti)壓(ya)力、溫度、氣流速(su)度、噴口直徑及噴射方(fang)向等）的優化設(she)計。
（2）氣體(ti)射(she)流(liu)冷卻切削機理的分(fen)析研(yan)究。
（3）尚需對不同工件材(cai)料的氣體射流冷(leng)卻切(qie)削性能進(jin)行大量的試驗研(yan)究。
6 、低溫風冷切削
低溫風冷切削是在加工過程中用－10℃～－100℃的冷(leng)(leng)風沖刷加工區，從而降低(di)刀具(ju)和(he)工件溫(wen)度(du)的一(yi)種切(qie)(qie)削(xue)技術。它的切(qie)(qie)削(xue)系統(tong)主要(yao)由冷(leng)(leng)風發(fa)生裝置和(he)切(qie)(qie)削(xue)加工系統(tong)組(zu)成。日本(ben)對(dui)此項技術的研究(jiu)(jiu)較早(zao)，開發(fa)水平較高。1996年橫川和(he)彥教授就開始對(dui)低(di)溫(wen)風冷(leng)(leng)切(qie)(qie)削(xue)進行了較全面(mian)的研究(jiu)(jiu)。國內的重(zhong)慶大(da)學也進行過此類研究(jiu)(jiu)，并取得了一(yi)定成果。研究(jiu)(jiu)表(biao)明(ming)，低(di)溫(wen)風冷(leng)(leng)切(qie)(qie)削(xue)可顯著(zhu)降低(di)切(qie)(qie)削(xue)區溫(wen)度(du)，提高刀具(ju)耐磨性，延長刀具(ju)使用(yong)壽命，改善加工表(biao)面(mian)質量(liang)，且對(dui)環境完全無(wu)污(wu)染。
對于該技術的研究還存在一些問題。首先，低溫冷風切削對于不同的被加工材料有著不同的影響，而國內對這方面的研究工作開展較少，缺乏試驗數據，難以提供科學、合理的切削參數。其次，該方法的冷卻潤滑系統比較復雜，不利于推廣應用。第三，該方法只有冷卻功能而無潤滑功能（如果在冷風中添加微量切削油，可以解決潤滑性問題，但對環境有一定影響，屬于準綠色切削）。此外，使用時發出的噪聲較大。最后，對風冷切削技術缺乏系統性的試驗研究，對一系列技術參數沒有量化和優化。對不同條件下不同材料的切削性能有待進一步深入研究。
低溫風冷切削技術有一定的應用前景，但對以下課題須作進一步研究開發：
（1）開發低耗能、高效(xiao)率、調節范圍大和無污染的低溫風(feng)冷裝(zhuang)置。
（2）開展(zhan)系統性的(de)研究(jiu)。對不同條件下不同材料的(de)低(di)溫切削性能(neng)進行大量實驗(yan)研究(jiu)，整(zheng)理和分析實驗(yan)數(shu)據，為(wei)下一步研究(jiu)作準備(bei)。
（3）調整機(ji)床結構，提高與(yu)低溫風冷系統的(de)適配(pei)性，推動低溫風冷切削技術在(zai)機(ji)械工業中的(de)小范圍應用(yong)。
7、 最(zui)小量潤滑（MQL）切削
最小量潤滑（Minimal Quantities of Lubricant, MQL）切削(xue)(xue)(xue)是指將(jiang)壓縮空氣與極微量(liang)的(de)潤滑液混合汽化后噴射到加(jia)工(gong)(gong)區進(jin)行有效潤滑的(de)一種切削(xue)(xue)(xue)加(jia)工(gong)(gong)方法(fa)。它可以(yi)大大減少切削(xue)(xue)(xue)液的(de)用量(liang)（一般僅為0.03～1.2L/h），可有效減小刀(dao)具與工(gong)(gong)件(jian)、刀(dao)具與切屑之間(jian)的(de)摩(mo)擦，防(fang)止(zhi)粘結(jie)，延長刀(dao)具壽命，提高加(jia)工(gong)(gong)表面質量(liang)。目前，該技術(shu)主(zhu)要(yao)用于(yu)鑄鐵、鋼和鋁(lv)合金等(deng)的(de)鉆(zhan)孔(kong)、鉸孔(kong)、攻絲、深孔(kong)鉆(zhan)削(xue)(xue)(xue)、鋁(lv)合金端面銑(xian)削(xue)(xue)(xue)等(deng)。
在加工過程中，潤滑油在空氣中形成的油氣霧對環境和人的健康有害。美國Cicinati大學和Techsolve Inc.公司的聯合研究(jiu)表明：在(zai)Tongil TNV-80 CNC立式加(jia)工中心上(shang)分別以11ml/min和6.5L/min的用(yong)量(liang)對(dui)AISI/SAE 4340鋼件進行銑(xian)削(xue)和鉆削(xue)時，在(zai)較(jiao)低的切削(xue)速度和金屬切除率(lv)下，MQL造成的空氣中油霧微(wei)粒生成率(lv)在(zai)鉆削(xue)時是傳統注澆法的340~3300倍(bei)，在(zai)銑(xian)削(xue)時是其(qi)100～140倍(bei)。因此(ci)，采用(yong)MQL切削(xue)技術必須在(zai)機床上(shang)添加(jia)封閉、通風(feng)和空氣清(qing)新設施(shi)，這必然帶來(lai)一(yi)定的附(fu)加(jia)成本。
結合目前的研究開發現狀，提出如下MQL切削(xue)技術的研(yan)究(jiu)方向：
（1）對油(you)霧(wu)微粒的(de)(de)生成機理(li)進行深(shen)入研究，并提出有(you)效(xiao)、實(shi)用的(de)(de)防護措施。通過技(ji)術(shu)措施將(jiang)油(you)霧(wu)微粒在(zai)大氣中的(de)(de)濃度降(jiang)至最低，實(shi)現對人體和(he)環境無害（或危(wei)害最低）的(de)(de)準綠色切削(xue)。
（2）加(jia)強(qiang)對MQL油霧(wu)發生裝置的(de)設計研究(jiu)。目前(qian)大(da)多數MQL裝置都是(shi)采用(yong)壓縮(suo)空氣作為油霧(wu)傳(chuan)送載體，很難控制油霧(wu)微(wei)粒的(de)大(da)小和(he)分布，因此傳(chuan)送單元和(he)油霧(wu)控制口的(de)設計將是(shi)研究(jiu)重(zhong)點。
（3）因(yin)為切削(xue)(xue)(xue)參數和切削(xue)(xue)(xue)速(su)度(du)都會對(dui)(dui)油(you)霧(wu)微粒生成(cheng)率造成(cheng)影(ying)響(xiang)(xiang)，因(yin)此還(huan)需對(dui)(dui)切削(xue)(xue)(xue)參數對(dui)(dui)油(you)霧(wu)微粒生成(cheng)率的影(ying)響(xiang)(xiang)做大量研(yan)究(jiu)。
8、 結語
本文對綠色切削技術領域一些常見的分支技術作了較系統的介紹和分析。其中，干式切削、液氮冷卻切削、水蒸汽冷卻切削、氣體射流冷卻切削及低溫風冷切削等均屬于綠色切削技術；最小量潤滑（MQL）切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)術(shu)和在冷(leng)(leng)風中加微量(liang)(liang)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)油的(de)低溫(wen)冷(leng)(leng)風切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)術(shu)則屬(shu)于準綠(lv)色切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)術(shu)。綠(lv)色切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)術(shu)可以提(ti)高刀(dao)具使(shi)用壽命及(ji)加工質量(liang)(liang)，且對環境無污(wu)染，對人體健康無害，在實際應(ying)(ying)用中取得(de)了良好效果，是金(jin)屬(shu)切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)加工領域(yu)今后的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)方向。目前，高速(su)（超(chao)高速(su)）干式切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)術(shu)和開發(fa)無污(wu)染的(de)生(sheng)態切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)液是綠(lv)色切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)重點。在21世紀(ji)制造業的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)過(guo)程中，綠(lv)色切(qie)(qie)削(xue)(xue)(xue)技(ji)(ji)術(shu)必(bi)將(jiang)得(de)到(dao)更快的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)和更廣泛(fan)的(de)應(ying)(ying)用。
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