1．引言

　　環(huán)境莽烫、資源瞭谴、人口是當(dāng)今社會面臨的三大主要問題。依靠科技進步魄蔗，實現(xiàn)節(jié)資增效寒肋，減少廢物排放，建立生產(chǎn)肆洽、消費與環(huán)境易麻、資源相互協(xié)調(diào)的發(fā)展模式已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路。進入21世紀(jì)社咒，在制造業(yè)實施綠色制造已勢在必行秽祷。切削加工作為制造業(yè)重要而應(yīng)用廣泛的加工方法正面臨新的挑戰(zhàn)，在此背景下位俩，綠色切削加工技術(shù)應(yīng)運而生矗寂。

　　在傳統(tǒng)的切削加工中，需要使用大量切削液澆注在切削區(qū)勇蝙，以起到冷卻沫勿、潤滑、清洗味混、排屑产雹、防銹等作用。隨著人類社會對環(huán)境保護的高度關(guān)注翁锡，使用切削液所帶來的負(fù)面影響已不容忽視蔓挖。這些影響主要表現(xiàn)在：①大量使用切削液增加了制造成本。在歐洲汽車制造業(yè)馆衔，切削液的成本占總制造成本的16．9％瘟判，其中包括購買切削液的費用、使用切削液所需設(shè)備費角溃、維護及廢液處理費用等拷获。而刀具成本僅占總制造成本的7.5％。②切削液中含有礦物油及硫减细、磷刀诬、氯等對環(huán)境有害的添加劑，如排放前未經(jīng)處理或處理不當(dāng)常籍，則會對環(huán)境造成污染健吃。③切削液對操作工人的健康造成威脅，會誘發(fā)多種皮膚病和呼吸道锨圣、肺部疾病陕绢。

　　綠色切削加工技術(shù)是一種充分考慮環(huán)境和資源問題的加工技術(shù)过腰，它要求在整個加工過程中做到對環(huán)境的污染最小和對資源的利用率最高。目前國內(nèi)外對綠色切削的研究主要集中在干式切削闯揪、低溫切削橄看、綠色濕式切削等幾個方面。

　　2．干式切削

　　干式切削是指在機械加工中為了保護環(huán)境和降低成本而有意識地減少使用或不使用切削液的加工方法避某。干式切削分為兩種硅跌，一種為完全不使用切削液的干式切削，另一種為用氣體混合微量潤滑劑代替切削液的準(zhǔn)干式切削蚯垫，其使用的是最小量潤滑(Minimal Quantity Lubrication闲涕，MQL)技術(shù)。采用MQL技術(shù)的準(zhǔn)干式切削適用于無法完全實現(xiàn)干切削的情況咳碰，如磨削加工及難加工材料的切削加工剖毯。采用準(zhǔn)干切削加工后，刀具教馆、工件和切屑都保持干燥逊谋，切屑無需處理便可回收利用。

　　目前對干式切削的研究主要集中在以下幾個方面土铺。

　　2.1 干式切削加工刀具的研究

　　由于干式切削的溫度比濕式切削高得多胶滋，為實現(xiàn)干式切削，要求刀具材料必須具有較高的紅硬性悲敷、耐磨性究恤、熱韌性和熱化學(xué)穩(wěn)定性，并且切屑镀迂、工件與刀具之間的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能小。刀具結(jié)構(gòu)應(yīng)便于排屑唤蔗，刀具強度和沖擊韌性要高探遵。目前適用于干式切削的刀具材料有超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金、金剛石妓柜、立方氮化硼箱季、涂層硬質(zhì)合金等。

　　美國學(xué)者開發(fā)的納米涂層(Nanocoatings)刀具寸纠，可采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合雳雄、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合帮课、固體潤滑劑/金屬組合等)匙久，以滿足不同的功能和性能要求。納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加八泡，具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能趾马。

　　日本住友電氣工業(yè)公司開發(fā)了能以較高速度對淬硬鋼進行干式切削加工的刀具材料——住硼磨料(立方氮化硼磨料工具商品名)BNX10苏昨、BNX25。住硼磨料BNX10適用于淬硬鋼的高速連續(xù)干切削毁察。對軸的外徑加工實例表明赘湾，與陶瓷刀具相比，BNX10可獲得較高的加工表面光潔度和穩(wěn)定的尺寸精度尚染，且刀具的壽命大大提高律逼。住硼磨料BNX25通過優(yōu)化CBN粒度及含有率，以及采用特殊陶瓷材料作為結(jié)合相逗柴，提高了耐缺損性和耐月牙洼磨耗性蛹头，適用于淬硬鋼的高速斷續(xù)切削加工。對套筒材料外徑的高速切削加工實例表明嚎于，與以往的刀具材料相比掘而，在高速切削的條件下使用BNX25刀具的壽命也有所提高。

　　鄧建新等人以TiB2為添加劑于购、Al203為基體袍睡，研制了Al203/TiB2陶瓷刀具材料。用該陶瓷刀具對淬硬鋼進行高速干切削試驗肋僧，結(jié)果表明斑胜，當(dāng)切削速度大于12Om/min時，刀具開始表現(xiàn)出高溫自潤滑性能嫌吠，自潤滑膜的組成為Al203/TiBz陶瓷刀具中TiB2的氧化物止潘，它能在刀具表面起到固體潤滑劑的作用，進而降低前刀面的摩擦辫诅，減輕刀具的粘著磨損凭戴，提高刀具的耐磨性能，具有良好的減摩和抗磨作用炕矮。

　　楊海東等人利用YT15基體的氮化碳薄膜涂層刀具干車削硅鋁合金逆酣，試驗結(jié)果表明，刀尖積屑瘤非常小堡它，工件表面粗糙度值較小殖锹，刀具的使用壽命遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金。

　　2.2 干式切削加工機理的研究

　　劉獻禮等人通過對不同硬度淬硬軸承鋼GCrI5的干式切削試驗衍醒，提出了臨界硬度的概念席磕，并得出50HRC為區(qū)分硬態(tài)切削與普通切削GCrl5的臨界硬度的結(jié)論。從切削熱的角度出發(fā)父驮，淬硬鋼的硬態(tài)干式切削機理就是被切削金屬層的軟化作用機理照窥，切削溫度對金屬軟化效應(yīng)起著決定性作用，工件硬度隨切削溫度的升高而降低，并進一步影響已加工表面的形成及其質(zhì)量茁臀。研究表明揩池，當(dāng)淬硬材料硬度高于50HRC時，切削機理因金屬軟化效應(yīng)而發(fā)生變化堆因，并由此導(dǎo)致切削力泪桥、已加工表面殘余應(yīng)力分布和白層的產(chǎn)生情況發(fā)生變化。現(xiàn)有切削理論已不能解釋切削溫度的變化規(guī)律久窟。

　　在高速干切削方面秩冈，美國Makino公司提出“紅月牙”(Red Crescent)干切削工藝。其機理是由于切削速度很高斥扛，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部入问，使切削區(qū)附近的工件材料達到紅熱狀態(tài)，導(dǎo)致屈服強度明顯下降稀颁，從而提高材料去除率芬失。目前主要采用PCBN和陶瓷等刀具來實現(xiàn)這種工藝。

　　2.3 干式切削加工的應(yīng)用

　　由于采用干式切削有利于環(huán)境保護和降低加工成本(可節(jié)省加工費用10％～15％)匾灶，因此干式切削加工技術(shù)的研究開發(fā)日益受到重視棱烂，目前歐洲約10％～15％的批量機械加工已采用干式或準(zhǔn)干式切削技術(shù)。

　　從加工方法上看阶女，車削颊糜、銑削、滾齒等加工應(yīng)用干切削較多秃踩。日本堅藤鐵工所用開發(fā)的KC250H型干式滾齒機和硬質(zhì)合金滾刀衬鱼，在冷風(fēng)冷卻、微量潤滑劑潤滑的條件下進行了高速滾齒加工酿萄，與傳統(tǒng)的濕式滾齒機(KA220型)和高速鋼滾刀加工相比序机，加工速度提高了2.3倍，加工齒輪精度也得到明顯提高争峭。

　　就工件材料而言寥只，鑄鐵由于熔點高、熱擴散系數(shù)小烤眉，最適合進行干切削丘苗。Spur和Lachmund陶瓷刀具和CNB刀具高速切削鑄鐵的試驗結(jié)果表明项请，由于CNB具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)烦盛，能快速帶走工件的熱量，因此CNB刀具比陶瓷刀具更適合鑄鐵材料的高速切削肚轴。鋁及鋁合金是難于進行干切削的材料，但通過采用MQL潤滑的高速準(zhǔn)干式切削，在解決切屑與刀具粘結(jié)及鋁件熱變形方面已獲得突破楚陶，在實際生產(chǎn)中已有加工鋁合金零件的準(zhǔn)干式切削生產(chǎn)線投入運行。對于難加工材料苍糠，則已開發(fā)了使用激光輔助進行干切削的加工技術(shù)。

　　3．低溫切削

　　低溫切削是利用低溫流體如液態(tài)氮啤誊、液態(tài)二氧化碳和冷風(fēng)等噴向加工系統(tǒng)的切削區(qū)域岳瞭，造成切削區(qū)的局部低溫或超低溫狀態(tài)，利用工件在低溫條件下產(chǎn)生的低溫脆性蚊锹，提高工件的切削加工性瞳筏、刀具壽命和工件表面質(zhì)量。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同牡昆，低溫切削可分為冷風(fēng)切削和液氮冷卻切削姚炕。

　　低溫冷風(fēng)切削法是通過向刀尖的加工部位噴－20℃～－30℃(甚至更低)的低溫氣流，并混入微量的植物性潤滑劑(每小時10～20ml)丢烘，從而起到降溫柱宦、排屑、潤滑的作用播瞳。低溫冷風(fēng)切削與傳統(tǒng)切削相比掸刊，能夠提高加工效率，改善工件表面質(zhì)量狐史，而且對環(huán)境幾乎無污染痒给。日本安田工業(yè)公司的加工中心采用在電機軸、刀桿軸的中心插入絕熱風(fēng)管的結(jié)構(gòu)近振，使用一30℃的低溫冷風(fēng)直接通向刀刃红狗。該結(jié)構(gòu)大大改善了切削條件，有利于低溫冷風(fēng)切削加工工藝的實施暴遂。橫川和彥對車削和銑削中的冷風(fēng)冷卻進行了研究暂呈。在銑削試驗中，分別采用水基切削液粘伊、常溫風(fēng)(+10℃)和冷風(fēng)(一30℃)三種條件進行比較辜辰，結(jié)果表明，采用冷風(fēng)切削時刀具耐用度顯著提高惠翼。在車削試驗中束敦，冷風(fēng)(一20℃)切削時刀具磨損率比常溫風(fēng)(+20℃)切削時顯著下降。

　　陳德成等人采用微量植物性潤滑油和冷風(fēng)切削的方法對難加工材料高硅鋁合金進行了切削加工試驗支摹，結(jié)果表明匾瓣，這種方法可以減少工具磨損，提高加工表面質(zhì)量代郊，并可避免使用水溶性切削油時因混人切削液中的硅結(jié)晶粒子的循環(huán)而造成的刀具磨損袱耽。陳德成等人還在冷風(fēng)冷卻和微量植物油潤滑條件下進行了切削加工不銹鋼的試驗，結(jié)果表明，這種方法延長了刀具的使用壽命朱巨，可抑制積屑瘤的產(chǎn)生史翘，提高加工表面精度，并可省去廢液處理系統(tǒng)冀续，實現(xiàn)綠色切削琼讽。

　　液氮冷卻切削主要有兩種應(yīng)用形式，一種是利用瓶裝壓力將液氮像切削液一樣直接噴射到切削區(qū)洪唐；另一種是利用液氮受熱蒸發(fā)循環(huán)來間接冷卻刀具或工件跨琳。氮氣是大氣中含量最多的成分，氮氣作為制氧工業(yè)的副產(chǎn)品桐罕，資源十分豐富脉让，由于液氮使用后直接揮發(fā)成氣體返回大氣中，因此不會留下任何污染功炮。目前低溫切削加工主要應(yīng)用于鈦合金溅潜、高錳鋼、淬硬鋼等難加工材料的加工中薪伏。K P Raijurkar采用H13A硬質(zhì)合金刀具墅瑟、并用液氮循環(huán)冷卻刀具的方法對鈦合金進行了低溫切削加工試驗，試驗結(jié)果表明疯蓄，與傳統(tǒng)的切削方法相比枪素，刀具磨損明顯減少，切削溫度降低30％猩镰，工件表面加工質(zhì)量得到很大改善芹倔。萬光民采用間接冷卻方法對高錳鋼進行了低溫切削加工試驗，結(jié)果表明氨鹤，采用間接冷卻方法低溫加工高錳鋼時威脯，刀具所受沖擊力減少，刀具磨損減小何煞，加工硬化現(xiàn)象得到改善跨略，工件表面質(zhì)量也有所提高。王連鵬等人采用液氮噴淋的方法在數(shù)控機床上低溫切削加工45淬硬鋼柿患，試驗結(jié)果表明烁犀，采用液氮噴淋式低溫加工45淬硬鋼可以提高刀具耐用度，改善工件表面質(zhì)量森枪。

　　4．綠色濕式切削

　　綠色濕式切削是指使用高性能视搏、長壽命、低污染疲恢、可降解的新型綠色切削液凶朗，最大限度地減少切削液的用量和廢液的排放，增加切削液循環(huán)使用的次數(shù)显拳，并對其實施無害化處理棚愤，從而達到綠色環(huán)保要求的切削加工方式。目前綠色濕式切削的研究主要集中在以下幾個方面：

　　4.1 高性能杂数、長壽命宛畦、低污染切削液的開發(fā)

　　目前發(fā)達國家已普遍使用微乳化液，并正在大力研究環(huán)保型切削液揍移。美國Mobil化學(xué)公司研制出一種名叫MobilmentAquaRho的乳化液次和，其中添加了含磷、氮和硼的合成物那伐，該乳化液的使用壽命達45個月以上踏施。

　　在我國，水基切削液的使用范圍越來越廣披滑，且已開始從乳化液向性能好徒锄、壽命長的合成切削液、微乳化液過渡羹卷，礦物油逐漸被生物降解性好的植物油和合成酯所代替安芋。離子型切削液是一種新型的水溶性切削液，其母液是由陰離子型淀胞、非離子型表面活性劑和無機鹽配制而成售芳，具有良好的降溫冷卻效果。劉鎮(zhèn)昌等人研制了一種低毒两军、低污染的低溫(即低凝點)切削液肿犁。該切削液具有良好的低溫流動性、極強的冷卻性能和較好的潤滑性能备秋，并能有效抑制細(xì)菌繁殖叶皿，大大延長切削液的使用壽命，從而可減少切削廢液的排放量畏帖，有利用環(huán)境保護拢掷，具有較好的社會效益。上海海營化工工貿(mào)實業(yè)公司開發(fā)了一種高科技綠色環(huán)保冷卻液——MCT潤滑冷卻液曹动，它具有良好的潤滑斋日、冷卻性能和較好的防銹、防腐蝕性能墓陈，且無毒恶守、無刺激性、無污染贡必。

　　4.2 “最小潤滑”技術(shù)的研究

　　最少量潤滑(MQL)技術(shù)是指在切削中兔港，切削工作處在最佳狀態(tài)下(即不縮短刀具使用壽命庸毫，不降低已加工表面質(zhì)量)，切削液的使用量達到最少衫樊。

　　美國密執(zhí)安技術(shù)大學(xué)對切削加工中有關(guān)切削液的適當(dāng)用量問題進行了研究飒赃，試圖在滿足加工要求的情況下，使切削液用量最少科侈、與切削液有關(guān)的費用也降至最低载佳。他們在福特汽車公司所做的試驗中，對切削液的濃度臀栈、工件材料蔫慧、刀具類型及幾何參數(shù)等都進行了測試與研究，并對工件表面粗糙度岭蚜、積屑瘤和切削力等作了分析脯阔，通過試驗得出了最適當(dāng)?shù)那邢饕河昧俊Ｃ绹鳷hyssen制造公司對“最小潤滑”加工技術(shù)進行了研究孝揉，使切削液流或氣霧通過刀具作用于加工區(qū)域游推，切削液的流量由CNC程序控制，取得了很好的效果誓读。王成勇等人采用最小潤滑技術(shù)鉆削多種復(fù)合板胳雁。在鉆削鋁一鈦多層復(fù)合板時，鉆削鈦板切屑的摩擦磨損作用伞让，會導(dǎo)致鋁板孔呈喇叭形康逝，孔徑波動幅度和平均孔徑值增大并可能超差。試驗采用了最少量潤滑技術(shù)停濒，使用涂層刀具并采用退刀排屑和擴孔方式加工菲恢，減小刃帶寬度，增大進給角和使用階梯軸衣右，保證了孔的加工質(zhì)量锁孟。

　　4.3 冷卻液凈化處理技術(shù)的研究

　　一般情況下，冷卻液是循環(huán)使用的茁瘦，對其循環(huán)使用之前要進行凈化處理品抽，其中包括過濾、殺菌等環(huán)節(jié)甜熔。郭成等人做了用硅藻土深層過濾法過濾CBN砂輪超高速磨削條件下的磨削液的試驗圆恤，結(jié)果表明，硅藻土過濾法的精度和效率較高腔稀，適合對膠狀及粘性物料的過濾盆昙。西安工學(xué)院科研處開發(fā)了一套不排放冷卻液的凈化裝置，該裝置包括滾筒內(nèi)刮渣磁分離機和電子臭氧滅菌器焊虏，兩者聯(lián)用可實現(xiàn)冷卻液的零排放淡喜，從而消除了機械加工中冷卻液排放而帶來的環(huán)境污染秕磷，并且可節(jié)約切削液。

　　5．結(jié)論

　　干式切削技術(shù)現(xiàn)已成熟應(yīng)用于有色金屬及其合金和鑄鐵的加工中炼团，但在鋼材尤其是高強度鋼的干切削應(yīng)用方面仍存在問題澎嚣，主要表現(xiàn)為刀具磨損嚴(yán)重，對刀具的材料和結(jié)構(gòu)要求較高叶奈，成本較大。同時还纤，在于切削中還普遍存在粉塵和切屑處理比較困難尸惭、機床易生銹等問題。

　　目前埠邻，低溫切削僅用于鈦合金男磅、高錳鋼、淬硬鋼等一些難加工材料的加工中苞惰。相對于傳統(tǒng)的切削方法蜂澄，低溫切削的成本較高，因此降低成本成為低溫切削推廣應(yīng)用的前提咕诊。同時墨攻，機床的防銹也是應(yīng)考慮的問題。

　　綠色濕式切削是目前比較可行的加工方法焚卖。新型環(huán)保切削液I生能的研制汹魁、切削液的合理使用及廢液的凈化處理成為有待解決的問題。

　　2l世紀(jì)呼喚綠色制造晰绎，清潔生產(chǎn)需要綠色加工寓落。綠色切削作為一項新的課題，正得到越來越廣泛的重視荞下。雖然干式切削伶选、低溫切削、綠色濕式切削等技術(shù)還有很多問題需要解決尖昏，但與傳統(tǒng)的加工方法相比仰税，它們的優(yōu)越性正逐漸體現(xiàn)出來，綠色切削將是未來綠色制造業(yè)的重要組成部分抽诉。

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