1．引言

　　環(huán)境娘瞻、資源酷愧、人口是當(dāng)今社會(huì)面臨的三大主要問(wèn)題扇商。依靠科技進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)節(jié)資增效帅珍，減少?gòu)U物排放忠牛，建立生產(chǎn)、消費(fèi)與環(huán)境司报、資源相互協(xié)調(diào)的發(fā)展模式已成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。進(jìn)入21世紀(jì)全乙，在制造業(yè)實(shí)施綠色制造已勢(shì)在必行偎洋。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)，在此背景下侄伟，綠色切削加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生睁奶。

　　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)撇委，以起到冷卻爵蝠、潤(rùn)滑、清洗汪仰、排屑揩墓、防銹等作用。隨著人類社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度關(guān)注典挑，使用切削液所帶來(lái)的負(fù)面影響已不容忽視酥宴。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)，切削液的成本占總制造成本的16．9％拙寡，其中包括購(gòu)買切削液的費(fèi)用授滓、使用切削液所需設(shè)備費(fèi)、維護(hù)及廢液處理費(fèi)用等肆糕。而刀具成本僅占總制造成本的7.5％般堆。②切削液中含有礦物油及硫、磷诚啃、氯等對(duì)環(huán)境有害的添加劑郁妈，如排放前未經(jīng)處理或處理不當(dāng)，則會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染绍申。③切削液對(duì)操作工人的健康造成威脅噩咪，會(huì)誘發(fā)多種皮膚病和呼吸道、肺部疾病极阅。

　　綠色切削加工技術(shù)是一種充分考慮環(huán)境和資源問(wèn)題的加工技術(shù)胃碾，它要求在整個(gè)加工過(guò)程中做到對(duì)環(huán)境的污染最小和對(duì)資源的利用率最高。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)綠色切削的研究主要集中在干式切削蛹鼎、低溫切削样京、綠色濕式切削等幾個(gè)方面。

　　2．干式切削

　　干式切削是指在機(jī)械加工中為了保護(hù)環(huán)境和降低成本而有意識(shí)地減少使用或不使用切削液的加工方法列充。干式切削分為兩種品痕，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(rùn)滑劑代替切削液的準(zhǔn)干式切削频咨，其使用的是最小量潤(rùn)滑(Minimal Quantity Lubrication府贰，MQL)技術(shù)。采用MQL技術(shù)的準(zhǔn)干式切削適用于無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)干切削的情況埃账，如磨削加工及難加工材料的切削加工窑岖。采用準(zhǔn)干切削加工后，刀具唱棍、工件和切屑都保持干燥匹惊，切屑無(wú)需處理便可回收利用。

　　目前對(duì)干式切削的研究主要集中在以下幾個(gè)方面估喷。

　　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凛忿，為實(shí)現(xiàn)干式切削，要求刀具材料必須具有較高的紅硬性竞川、耐磨性店溢、熱韌性和熱化學(xué)穩(wěn)定性，并且切屑流译、工件與刀具之間的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能小逞怨。刀具結(jié)構(gòu)應(yīng)便于排屑者疤，刀具強(qiáng)度和沖擊韌性要高。目前適用于干式切削的刀具材料有超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金叠赦、金剛石驹马、立方氮化硼、涂層硬質(zhì)合金等除秀。

　　美國(guó)學(xué)者開(kāi)發(fā)的納米涂層(Nanocoatings)刀具糯累，可采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合册踩、陶瓷/陶瓷組合泳姐、固體潤(rùn)滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求囤檐。納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加门烧，具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤(rùn)滑性能。

　　日本住友電氣工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了能以較高速度對(duì)淬硬鋼進(jìn)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膊护、BNX25鹅棺。住硼磨料BNX10適用于淬硬鋼的高速連續(xù)干切削。對(duì)軸的外徑加工實(shí)例表明淋渤，與陶瓷刀具相比张肾，BNX10可獲得較高的加工表面光潔度和穩(wěn)定的尺寸精度淆游，且刀具的壽命大大提高寂疏。住硼磨料BNX25通過(guò)優(yōu)化CBN粒度及含有率态素，以及采用特殊陶瓷材料作為結(jié)合相，提高了耐缺損性和耐月牙洼磨耗性从秃，適用于淬硬鋼的高速斷續(xù)切削加工沼津。對(duì)套筒材料外徑的高速切削加工實(shí)例表明，與以往的刀具材料相比钢战，在高速切削的條件下使用BNX25刀具的壽命也有所提高沾尔。

　　鄧建新等人以TiB2為添加劑、Al203為基體弟头，研制了Al203/TiB2陶瓷刀具材料。用該陶瓷刀具對(duì)淬硬鋼進(jìn)行高速干切削試驗(yàn)涉茧，結(jié)果表明赴恨，當(dāng)切削速度大于12Om/min時(shí)，刀具開(kāi)始表現(xiàn)出高溫自潤(rùn)滑性能伴栓，自潤(rùn)滑膜的組成為Al203/TiBz陶瓷刀具中TiB2的氧化物伦连，它能在刀具表面起到固體潤(rùn)滑劑的作用，進(jìn)而降低前刀面的摩擦钳垮，減輕刀具的粘著磨損惑淳，提高刀具的耐磨性能额港，具有良好的減摩和抗磨作用。

　　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歧焦，試驗(yàn)結(jié)果表明移斩，刀尖積屑瘤非常小，工件表面粗糙度值較小绢馍，刀具的使用壽命遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金向瓷。

　　2.2 干式切削加工機(jī)理的研究

　　劉獻(xiàn)禮等人通過(guò)對(duì)不同硬度淬硬軸承鋼GCrI5的干式切削試驗(yàn)，提出了臨界硬度的概念歇肖，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)論夜川。從切削熱的角度出發(fā)，淬硬鋼的硬態(tài)干式切削機(jī)理就是被切削金屬層的軟化作用機(jī)理役寡，切削溫度對(duì)金屬軟化效應(yīng)起著決定性作用麻百，工件硬度隨切削溫度的升高而降低，并進(jìn)一步影響已加工表面的形成及其質(zhì)量超棚。研究表明拴猖，當(dāng)淬硬材料硬度高于50HRC時(shí)，切削機(jī)理因金屬軟化效應(yīng)而發(fā)生變化棵欧，并由此導(dǎo)致切削力遭屑、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)律运荸。

　　在高速干切削方面贴袖，美國(guó)Makino公司提出“紅月牙”(Red Crescent)干切削工藝。其機(jī)理是由于切削速度很高吩擒，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部质窒，使切削區(qū)附近的工件材料達(dá)到紅熱狀態(tài)，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度明顯下降贷腕，從而提高材料去除率背镇。目前主要采用PCBN和陶瓷等刀具來(lái)實(shí)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(hù)和降低加工成本(可節(jié)省加工費(fèi)用10％～15％)泽裳，因此干式切削加工技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)日益受到重視瞒斩，目前歐洲約10％～15％的批量機(jī)械加工已采用干式或準(zhǔn)干式切削技術(shù)。

　　從加工方法上看涮总，車削胸囱、銑削、滾齒等加工應(yīng)用干切削較多瀑梗。日本堅(jiān)藤鐵工所用開(kāi)發(fā)的KC250H型干式滾齒機(jī)和硬質(zhì)合金滾刀烹笔，在冷風(fēng)冷卻、微量潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑的條件下進(jìn)行了高速滾齒加工抛丽，與傳統(tǒng)的濕式滾齒機(jī)(KA220型)和高速鋼滾刀加工相比谤职，加工速度提高了2.3倍饰豺，加工齒輪精度也得到明顯提高。

　　就工件材料而言允蜈，鑄鐵由于熔點(diǎn)高冤吨、熱擴(kuò)散系數(shù)小，最適合進(jìn)行干切削秃囚。Spur和Lachmund陶瓷刀具和CNB刀具高速切削鑄鐵的試驗(yàn)結(jié)果表明融确，由于CNB具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，能快速帶走工件的熱量测佣，因此CNB刀具比陶瓷刀具更適合鑄鐵材料的高速切削醒横。鋁及鋁合金是難于進(jìn)行干切削的材料，但通過(guò)采用MQL潤(rùn)滑的高速準(zhǔn)干式切削忽件，在解決切屑與刀具粘結(jié)及鋁件熱變形方面已獲得突破禁舌，在實(shí)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(yùn)行。對(duì)于難加工材料涌俘，則已開(kāi)發(fā)了使用激光輔助進(jìn)行干切削的加工技術(shù)权煎。

　　3．低溫切削

　　低溫切削是利用低溫流體如液態(tài)氮、液態(tài)二氧化碳和冷風(fēng)等噴向加工系統(tǒng)的切削區(qū)域昔永，造成切削區(qū)的局部低溫或超低溫狀態(tài)狱揩，利用工件在低溫條件下產(chǎn)生的低溫脆性，提高工件的切削加工性缺钓、刀具壽命和工件表面質(zhì)量彻犁。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，低溫切削可分為冷風(fēng)切削和液氮冷卻切削凰慈。

　　低溫冷風(fēng)切削法是通過(guò)向刀尖的加工部位噴－20℃～－30℃(甚至更低)的低溫氣流汞幢，并混入微量的植物性潤(rùn)滑劑(每小時(shí)10～20ml)，從而起到降溫微谓、排屑森篷、潤(rùn)滑的作用。低溫冷風(fēng)切削與傳統(tǒng)切削相比豺型，能夠提高加工效率仲智，改善工件表面質(zhì)量，而且對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)污染姻氨。日本安田工業(yè)公司的加工中心采用在電機(jī)軸坎藐、刀桿軸的中心插入絕熱風(fēng)管的結(jié)構(gòu)，使用一30℃的低溫冷風(fēng)直接通向刀刃哼绑。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(shí)施碉咆。橫川和彥對(duì)車削和銑削中的冷風(fēng)冷卻進(jìn)行了研究抖韩。在銑削試驗(yàn)中浇沧，分別采用水基切削液、常溫風(fēng)(+10℃)和冷風(fēng)(一30℃)三種條件進(jìn)行比較豹炊，結(jié)果表明坏扣，采用冷風(fēng)切削時(shí)刀具耐用度顯著提高。在車削試驗(yàn)中遂报，冷風(fēng)(一20℃)切削時(shí)刀具磨損率比常溫風(fēng)(+20℃)切削時(shí)顯著下降则徒。

　　陳德成等人采用微量植物性潤(rùn)滑油和冷風(fēng)切削的方法對(duì)難加工材料高硅鋁合金進(jìn)行了切削加工試驗(yàn)，結(jié)果表明瞳弱，這種方法可以減少工具磨損冠幕，提高加工表面質(zhì)量，并可避免使用水溶性切削油時(shí)因混人切削液中的硅結(jié)晶粒子的循環(huán)而造成的刀具磨損纽债。陳德成等人還在冷風(fēng)冷卻和微量植物油潤(rùn)滑條件下進(jìn)行了切削加工不銹鋼的試驗(yàn)雇蚁，結(jié)果表明，這種方法延長(zhǎng)了刀具的使用壽命倚痰，可抑制積屑瘤的產(chǎn)生讥高，提高加工表面精度，并可省去廢液處理系統(tǒng)系谐，實(shí)現(xiàn)綠色切削巾陕。

　　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)纪他；另一種是利用液氮受熱蒸發(fā)循環(huán)來(lái)間接冷卻刀具或工件鄙煤。氮?dú)馐谴髿庵泻孔疃嗟某煞郑獨(dú)庾鳛橹蒲豕I(yè)的副產(chǎn)品止喷，資源十分豐富馆类，由于液氮使用后直接揮發(fā)成氣體返回大氣中，因此不會(huì)留下任何污染弹谁。目前低溫切削加工主要應(yīng)用于鈦合金乾巧、高錳鋼、淬硬鋼等難加工材料的加工中预愤。K P Raijurkar采用H13A硬質(zhì)合金刀具沟于、并用液氮循環(huán)冷卻刀具的方法對(duì)鈦合金進(jìn)行了低溫切削加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明植康，與傳統(tǒng)的切削方法相比旷太，刀具磨損明顯減少，切削溫度降低30％销睁，工件表面加工質(zhì)量得到很大改善祟勿。萬(wàn)光民采用間接冷卻方法對(duì)高錳鋼進(jìn)行了低溫切削加工試驗(yàn)，結(jié)果表明累筋，采用間接冷卻方法低溫加工高錳鋼時(shí)耀旅，刀具所受沖擊力減少盯糠，刀具磨損減小，加工硬化現(xiàn)象得到改善傅女，工件表面質(zhì)量也有所提高洁揽。王連鵬等人采用液氮噴淋的方法在數(shù)控機(jī)床上低溫切削加工45淬硬鋼，試驗(yàn)結(jié)果表明原酷，采用液氮噴淋式低溫加工45淬硬鋼可以提高刀具耐用度杉轿，改善工件表面質(zhì)量。

　　4．綠色濕式切削

　　綠色濕式切削是指使用高性能蔼俐、長(zhǎng)壽命昏络、低污染、可降解的新型綠色切削液欲炉，最大限度地減少切削液的用量和廢液的排放憾宅，增加切削液循環(huán)使用的次數(shù)，并對(duì)其實(shí)施無(wú)害化處理愧捕，從而達(dá)到綠色環(huán)保要求的切削加工方式奢驯。目前綠色濕式切削的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

　　4.1 高性能、長(zhǎng)壽命次绘、低污染切削液的開(kāi)發(fā)

　　目前發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍使用微乳化液瘪阁，并正在大力研究環(huán)保型切削液。美國(guó)Mobil化學(xué)公司研制出一種名叫MobilmentAquaRho的乳化液邮偎，其中添加了含磷管跺、氮和硼的合成物，該乳化液的使用壽命達(dá)45個(gè)月以上禾进。

　　在我國(guó)豁跑，水基切削液的使用范圍越來(lái)越廣，且已開(kāi)始從乳化液向性能好泻云、壽命長(zhǎng)的合成切削液艇拍、微乳化液過(guò)渡，礦物油逐漸被生物降解性好的植物油和合成酯所代替宠纯。離子型切削液是一種新型的水溶性切削液卸夕，其母液是由陰離子型、非離子型表面活性劑和無(wú)機(jī)鹽配制而成脏猴，具有良好的降溫冷卻效果讨拷。劉鎮(zhèn)昌等人研制了一種低毒、低污染的低溫(即低凝點(diǎn))切削液处鲜。該切削液具有良好的低溫流動(dòng)性依粮、極強(qiáng)的冷卻性能和較好的潤(rùn)滑性能，并能有效抑制細(xì)菌繁殖，大大延長(zhǎng)切削液的使用壽命购狈，從而可減少切削廢液的排放量魂欺，有利用環(huán)境保護(hù)，具有較好的社會(huì)效益杂猾。上海海營(yíng)化工工貿(mào)實(shí)業(yè)公司開(kāi)發(fā)了一種高科技綠色環(huán)保冷卻液——MCT潤(rùn)滑冷卻液，它具有良好的潤(rùn)滑浇找、冷卻性能和較好的防銹签子、防腐蝕性能，且無(wú)毒搭为、無(wú)刺激性缺西、無(wú)污染。

　　4.2 “最小潤(rùn)滑”技術(shù)的研究

　　最少量潤(rùn)滑(MQL)技術(shù)是指在切削中馒胆，切削工作處在最佳狀態(tài)下(即不縮短刀具使用壽命缨称，不降低已加工表面質(zhì)量)，切削液的使用量達(dá)到最少祝迂。

　　美國(guó)密執(zhí)安技術(shù)大學(xué)對(duì)切削加工中有關(guān)切削液的適當(dāng)用量問(wèn)題進(jìn)行了研究睦尽，試圖在滿足加工要求的情況下，使切削液用量最少型雳、與切削液有關(guān)的費(fèi)用也降至最低当凡。他們?cè)诟Ｌ仄嚬舅龅脑囼?yàn)中，對(duì)切削液的濃度纠俭、工件材料沿量、刀具類型及幾何參數(shù)等都進(jìn)行了測(cè)試與研究，并對(duì)工件表面粗糙度冤荆、積屑瘤和切削力等作了分析朴则，通過(guò)試驗(yàn)得出了最適當(dāng)?shù)那邢饕河昧俊Ｃ绹?guó)Thyssen制造公司對(duì)“最小潤(rùn)滑”加工技術(shù)進(jìn)行了研究钓简，使切削液流或氣霧通過(guò)刀具作用于加工區(qū)域乌妒，切削液的流量由CNC程序控制，取得了很好的效果季距。王成勇等人采用最小潤(rùn)滑技術(shù)鉆削多種復(fù)合板虚蹋。在鉆削鋁一鈦多層復(fù)合板時(shí)，鉆削鈦板切屑的摩擦磨損作用蒿蛆，會(huì)導(dǎo)致鋁板孔呈喇叭形抄娜，孔徑波動(dòng)幅度和平均孔徑值增大并可能超差。試驗(yàn)采用了最少量潤(rùn)滑技術(shù)毙纫，使用涂層刀具并采用退刀排屑和擴(kuò)孔方式加工砂彻，減小刃帶寬度，增大進(jìn)給角和使用階梯軸，保證了孔的加工質(zhì)量搪狗。

　　4.3 冷卻液凈化處理技術(shù)的研究

　　一般情況下吻毅，冷卻液是循環(huán)使用的，對(duì)其循環(huán)使用之前要進(jìn)行凈化處理跛究，其中包括過(guò)濾妆墩、殺菌等環(huán)節(jié)。郭成等人做了用硅藻土深層過(guò)濾法過(guò)濾CBN砂輪超高速磨削條件下的磨削液的試驗(yàn)重虑，結(jié)果表明践付，硅藻土過(guò)濾法的精度和效率較高，適合對(duì)膠狀及粘性物料的過(guò)濾缺厉。西安工學(xué)院科研處開(kāi)發(fā)了一套不排放冷卻液的凈化裝置永高，該裝置包括滾筒內(nèi)刮渣磁分離機(jī)和電子臭氧滅菌器，兩者聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)冷卻液的零排放提针，從而消除了機(jī)械加工中冷卻液排放而帶來(lái)的環(huán)境污染命爬，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辐脖，但在鋼材尤其是高強(qiáng)度鋼的干切削應(yīng)用方面仍存在問(wèn)題饲宛，主要表現(xiàn)為刀具磨損嚴(yán)重，對(duì)刀具的材料和結(jié)構(gòu)要求較高揖曾，成本較大落萎。同時(shí)，在于切削中還普遍存在粉塵和切屑處理比較困難炭剪、機(jī)床易生銹等問(wèn)題练链。

　　目前，低溫切削僅用于鈦合金奴拦、高錳鋼颖倾、淬硬鋼等一些難加工材料的加工中。相對(duì)于傳統(tǒng)的切削方法天库，低溫切削的成本較高才褂，因此降低成本成為低溫切削推廣應(yīng)用的前提。同時(shí)都泥，機(jī)床的防銹也是應(yīng)考慮的問(wèn)題详贿。

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

　　2l世紀(jì)呼喚綠色制造，清潔生產(chǎn)需要綠色加工汰材。綠色切削作為一項(xiàng)新的課題抹播，正得到越來(lái)越廣泛的重視榴栏。雖然干式切削、低溫切削痒拧、綠色濕式切削等技術(shù)還有很多問(wèn)題需要解決泌绩，但與傳統(tǒng)的加工方法相比，它們的優(yōu)越性正逐漸體現(xiàn)出來(lái)宵蕉，綠色切削將是未來(lái)綠色制造業(yè)的重要組成部分酝静。

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