1 引言

    在金屬切削加工過(guò)程中职靴，通常都要使用切削液覆逊。切削液的大量使用給環(huán)境和人體健康帶來(lái)了很大危害刨税，迫使人們不斷研究開(kāi)發(fā)新技術(shù)以改變現(xiàn)狀践赁。因此，近年來(lái)綠色制造技術(shù)成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)筏所。

    綠色切削技術(shù)是綠色制造的一個(gè)組成部分胧扇，它是指對(duì)生態(tài)大環(huán)境和加工現(xiàn)場(chǎng)小環(huán)境均無(wú)毒副作用（或副作用很小），在加工過(guò)程中產(chǎn)生的少量“三廢”（廢氣蟆豫、廢液和廢渣）在鏈條末端可回收或自然降解议忽，達(dá)到無(wú)公害的環(huán)保要求，對(duì)人的健康和環(huán)境沒(méi)有危害的切削技術(shù)十减。

    對(duì)于綠色切削加工，國(guó)際上相應(yīng)地制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)愤估。1996年4月帮辟，國(guó)際機(jī)械學(xué)會(huì)制定了關(guān)于清潔加工的ISO14000國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。德國(guó)玩焰、美國(guó)由驹、加拿大和日本等國(guó)也相繼制定了更加嚴(yán)格的工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步限制了切削液的使用昔园。作為有毒廢料的切削液以及帶有切削液的切屑的排放和處理大大增加了回收處理成本蔓榄，與切削液相關(guān)的費(fèi)用約占加工成本的17％。

    無(wú)公害默刚、清潔化甥郑、低能耗的綠色制造是21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展方向。因此荤西，研究開(kāi)發(fā)新的綠色切削技術(shù)澜搅，減少切削液給環(huán)境帶來(lái)的污染，尋求綠色環(huán)保的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)饲肪，是綠色切削技術(shù)推廣應(yīng)用的重要課題屋犯。綠色切削技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，必將推動(dòng)機(jī)械工業(yè)的持續(xù)塔苦、健康發(fā)展滑期。

    2 干式切削

    干式切削是指在切削加工過(guò)程中不使用任何切削液，完全消除了切削液的負(fù)面影響医窖，是一種符合生態(tài)要求的綠色切削加工方式账阳。它的優(yōu)點(diǎn)主要有：對(duì)大氣和水環(huán)境無(wú)污染；切屑上無(wú)殘液馍丑，降低了清潔處理成本郎丰；對(duì)人的健康無(wú)害且不會(huì)損傷皮膚或造成過(guò)敏。干式切削技術(shù)目前主要應(yīng)用于鑄鐵件的加工绷坠，在其它方面的推廣應(yīng)用正在進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)洛惹。

    干式切削的實(shí)施需要滿(mǎn)足一定的條件，主要包括：

    （1）要求機(jī)床具有很好的熱穩(wěn)定性和很高的剛度泥天，否則難以保證加工精度奋构。

    （2）對(duì)刀具提出了新的要求。主要包括刀具材料的選擇和刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)拱层。由于干式切削不使用切削液弥臼，因此切削溫度很高宴咧。只有具有良好導(dǎo)熱性、耐高溫和高硬度的刀具材料才能滿(mǎn)足加工要求径缅，目前在干式切削中應(yīng)用較多的刀具材料有CBN和PCD等掺栅。刀具涂層技術(shù)（CVD和PVD涂層技術(shù)、納米涂層技術(shù)等）的應(yīng)用可以延長(zhǎng)刀具壽命纳猪，較好滿(mǎn)足干式切削的要求氧卧。優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)，可以提高加工精度和延長(zhǎng)刀具使用壽命氏堤，也是推動(dòng)干式切削技術(shù)發(fā)展的重要手段之一沙绝。

    目前，干式切削技術(shù)還存在許多不足和限制其推廣應(yīng)用的技術(shù)難題鼠锈。由于失去了切削液的潤(rùn)滑闪檬、冷卻、輔助排屑等作用购笆，刀具在加工中承受的負(fù)荷增大坐署，切削溫度升高，刀—屑界面處于完全的二相固體接觸狀態(tài)烂攒，刀具磨損過(guò)程異常復(fù)雜性聚，刀具與工件均易發(fā)生熱變形，導(dǎo)致刀具使用壽命縮短筝贮，加工表面質(zhì)量降低饶粪。此外，對(duì)于機(jī)床本身而言芙棚，由于不能保持熱平衡镰鹤，機(jī)床的床身、立柱等也會(huì)因溫度升高而發(fā)生不容忽視的變形数芝。

    干式切削技術(shù)的發(fā)展主要取決于機(jī)床和刀具性能的提高和改進(jìn)达华，即：

    （1）提高機(jī)床性能。一方面提高機(jī)床的熱穩(wěn)定性和抗熱變形能力改宅；另一方面通過(guò)提高機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速晒淮，發(fā)展高速（超高速）干式切削技術(shù)，以大幅度提高生產(chǎn)效率姓迅，減小切削力敲霍，并獲得良好的表面加工質(zhì)量。

    （2）開(kāi)發(fā)新的刀具材料和涂層技術(shù)丁存。通過(guò)提高刀具材料的導(dǎo)熱性肩杈、耐熱性、自潤(rùn)滑性和耐磨性，延長(zhǎng)刀具使用壽命扩然，保證干式切削的加工精度艘儒。

    3 液氮冷卻切削

    液氮冷卻切削是利用液氮特性，在切削區(qū)形成局部低溫（或超低溫）夫偶，從而改變工件材料的物理力學(xué)性能使其有利于加工的先進(jìn)切削技術(shù)界睁。美國(guó)懷特州立大學(xué)的S Y Hong博士對(duì)液氮冷卻車(chē)削加工的研究表明，硬質(zhì)合金刀具材料在液氮冷卻切削條件下能夠保持良好的切削性能索守。林肯大學(xué)的Z Y Wang車(chē)削氮化硅陶瓷的試驗(yàn)表明晕窑，在液氮冷卻條件下，刀具磨損可減小約4倍卵佛，工件表面粗糙度值可減小6倍多。液氮冷卻切削對(duì)于鈦合金议乐、低合金鋼奥憎、軟鋼及一些高塑（韌）性復(fù)合材料等難加工材料的加工非常有利。

    目前忙坡，液氮冷卻切削技術(shù)主要存在以下需要解決的問(wèn)題：
    （1）液氮的存儲(chǔ)眉藤、運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用帶來(lái)了附加成本；
    （2）液氮在切削加工中的潤(rùn)滑性不夠邪笆；
    （3）液氮使用的安全性需要特別加以注意琴邻；
    （4）在超低溫下切削出來(lái)的工件表面具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，暴露在空氣中會(huì)很快生銹熏尉，因此必須解決工件防銹問(wèn)題赂燎；
    （5）尚需對(duì)不同工件材料的低溫切削性能以及刀具的切削特性等作進(jìn)一步深入研究。

    4 水蒸汽冷卻切削

    水蒸汽冷卻切削是將過(guò)熱水蒸汽噴射到切削區(qū)以達(dá)到冷卻潤(rùn)滑的一種切削方法潜路。它的切削系統(tǒng)由水蒸汽發(fā)生裝置向膏、水蒸汽傳輸與控制系統(tǒng)和機(jī)床系統(tǒng)組成。前蘇聯(lián)學(xué)者Podgorkv V V和Godelviski V A在上世紀(jì)90年代提出了這種切削加工方法罚午。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也對(duì)此做過(guò)初步研究逞迟，并取得了一定成果。研究表明恕沫，水蒸汽冷卻切削可以減小切削力和工件表面粗糙度值监憎，明顯降低切削溫度，生成的切屑更規(guī)則合理婶溯，潤(rùn)滑性有所提高鲸阔。水蒸氣價(jià)格低廉又無(wú)污染，是一種很好的綠色潤(rùn)滑劑爬虱。目前隶债，該技術(shù)仍處于研究階段，主要存在以下問(wèn)題：
    （1）水蒸汽發(fā)生裝置能耗較大，尚須進(jìn)一步研究能耗低死讹、保溫性好瞒滴、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理的水蒸汽發(fā)生裝置。
    （2）水蒸汽的潤(rùn)滑機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究赞警，切削過(guò)程的潤(rùn)滑模型尚不明確妓忍。
    （3）尚需對(duì)不同的工件材料進(jìn)行大量切削性能試驗(yàn)和研究，選擇合理的加工參數(shù)及確定最優(yōu)噴射角度和流量等愧旦。

    5 氣體射流冷卻切削

    氣體射流冷卻切削是以一定壓力的射流氣體沖刷加工區(qū)以獲得冷卻效果的切削加工方法世剖。日本學(xué)者對(duì)這種加工方法所做的研究工作較多。我國(guó)華東船舶工業(yè)學(xué)院也做了這方面的研究工作锥桐，并取得了較好效果菲贝。研究表明，氣體射流冷卻切削在冷卻效果鳄砸、工件加工質(zhì)量和刀具使用壽命等方面均有益處威跟。目前國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究還處于起步階段，尚須開(kāi)展以下研究工作：
    （1）氣體射流冷卻切削參數(shù)（包括氣體壓力惧圆、溫度往茄、氣流速度、噴口直徑及噴射方向等）的優(yōu)化設(shè)計(jì)瘦镶。
    （2）氣體射流冷卻切削機(jī)理的分析研究乘占。
    （3）尚需對(duì)不同工件材料的氣體射流冷卻切削性能進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。

    6 低溫風(fēng)冷切削

    低溫風(fēng)冷切削是在加工過(guò)程中用－10℃～－100℃的冷風(fēng)沖刷加工區(qū)澳坟，從而降低刀具和工件溫度的一種切削技術(shù)笔畜。它的切削系統(tǒng)主要由冷風(fēng)發(fā)生裝置和切削加工系統(tǒng)組成。日本對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究較早仙冕，開(kāi)發(fā)水平較高粱快。1996年橫川和彥教授就開(kāi)始對(duì)低溫風(fēng)冷切削進(jìn)行了較全面的研究。國(guó)內(nèi)的重慶大學(xué)也進(jìn)行過(guò)此類(lèi)研究叔扼，并取得了一定成果事哭。研究表明，低溫風(fēng)冷切削可顯著降低切削區(qū)溫度瓜富，提高刀具耐磨性鳍咱，延長(zhǎng)刀具使用壽命，改善加工表面質(zhì)量与柑，且對(duì)環(huán)境完全無(wú)污染谤辜。

    對(duì)于該技術(shù)的研究還存在一些問(wèn)題。首先价捧，低溫冷風(fēng)切削對(duì)于不同的被加工材料有著不同的影響丑念，而國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究工作開(kāi)展較少涡戳，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以提供科學(xué)脯倚、合理的切削參數(shù)渔彰。其次，該方法的冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)比較復(fù)雜鸯流，不利于推廣應(yīng)用胯挚。第三，該方法只有冷卻功能而無(wú)潤(rùn)滑功能（如果在冷風(fēng)中添加微量切削油址靶，可以解決潤(rùn)滑性問(wèn)題咨桶，但對(duì)環(huán)境

    有一定影響，屬于準(zhǔn)綠色切削）乔盹。此外椎敞，使用時(shí)發(fā)出的噪聲較大。最后叨剧，對(duì)風(fēng)冷切削技術(shù)缺乏系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究门幌，對(duì)一系列技術(shù)參數(shù)沒(méi)有量化和優(yōu)化。對(duì)不同條件下不同材料的切削性能有待進(jìn)一步深入研究阶铝。

    低溫風(fēng)冷切削技術(shù)有一定的應(yīng)用前景，但對(duì)以下課題須作進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)：
    （1）開(kāi)發(fā)低耗能确告、高效率惊也、調(diào)節(jié)范圍大和無(wú)污染的低溫風(fēng)冷裝置。
    （2）開(kāi)展系統(tǒng)性的研究遇患。對(duì)不同條件下不同材料的低溫切削性能進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究统台，整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為下一步研究作準(zhǔn)備啡邑。
    （3）調(diào)整機(jī)床結(jié)構(gòu)贱勃，提高與低溫風(fēng)冷系統(tǒng)的適配性，推動(dòng)低溫風(fēng)冷切削技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的小范圍應(yīng)用谤逼。

    7 最小量潤(rùn)滑（MQL）切削

    最小量潤(rùn)滑（Minimal Quantities of Lubricant, MQL）切削是指將壓縮空氣與極微量的潤(rùn)滑液混合汽化后噴射到加工區(qū)進(jìn)行有效潤(rùn)滑的一種切削加工方法贵扰。它可以大大減少切削液的用量（一般僅為0.03～1.2L/h），可有效減小刀具與工件流部、刀具與切屑之間的摩擦戚绕，防止粘結(jié)，延長(zhǎng)刀具壽命枝冀，提高加工表面質(zhì)量舞丛。目前，該技術(shù)主要用于鑄鐵果漾、鋼和鋁合金等的鉆孔球切、鉸孔谷誓、攻絲、深孔鉆削晃烟、鋁合金端面銑削等蕾崔。
    在加工過(guò)程中，潤(rùn)滑油在空氣中形成的油氣霧對(duì)環(huán)境和人的健康有害椒缀。美國(guó)Cicinati大學(xué)和Techsolve Inc.公司的聯(lián)合研究表明：在Tongil TNV-80 CNC立式加工中心上分別以11ml/min和6.5L/min的用量對(duì)AISI/SAE 4340鋼件進(jìn)行銑削和鉆削時(shí)垦亲，在較低的切削速度和金屬切除率下，MQL造成的空氣中油霧微粒生成率在鉆削時(shí)是傳統(tǒng)注澆法的340~3300倍脑播，在銑削時(shí)是其100～140倍常迹。因此，采用MQL切削技術(shù)必須在機(jī)床上添加封閉冗级、通風(fēng)和空氣清新設(shè)施奖卒，這必然帶來(lái)一定的附加成本。
    結(jié)合目前的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀咸耍，提出如下MQL切削技術(shù)的研究方向：
    （1）對(duì)油霧微粒的生成機(jī)理進(jìn)行深入研究淘巩，并提出有效、實(shí)用的防護(hù)措施努儒。通過(guò)技術(shù)措施將油霧微粒在大氣中的濃度降至最低遇穷，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害（或危害最低）的準(zhǔn)綠色切削。
    （2）加強(qiáng)對(duì)MQL油霧發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)研究申屹。目前大多數(shù)MQL裝置都是采用壓縮空氣作為油霧傳送載體绘证，很難控制油霧微粒的大小和分布，因此傳送單元和油霧控制口的設(shè)計(jì)將是研究重點(diǎn)哗讥。
    （3）因?yàn)榍邢鲄?shù)和切削速度都會(huì)對(duì)油霧微粒生成率造成影響嚷那，因此還需對(duì)切削參數(shù)對(duì)油霧微粒生成率的影響做大量研究。

    8 結(jié)語(yǔ)

    本文對(duì)綠色切削技術(shù)領(lǐng)域一些常見(jiàn)的分支技術(shù)作了較系統(tǒng)的介紹和分析杆煞。其中魏宽，干式切削、液氮冷卻切削决乎、水蒸汽冷卻切削队询、氣體射流冷卻切削及低溫風(fēng)冷切削等均屬于綠色切削技術(shù)；最小量潤(rùn)滑（MQL）切削技術(shù)和在冷風(fēng)中加微量切削油的低溫冷風(fēng)切削技術(shù)則屬于準(zhǔn)綠色切削技術(shù)瑞驱。綠色切削技術(shù)可以提高刀具使用壽命及加工質(zhì)量娘摔，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)人體健康無(wú)害唤反，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果凳寺，是金屬切削加工領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。目前旧搔，高速（超高速）干式切削技術(shù)和開(kāi)發(fā)無(wú)污染的生態(tài)切削液是綠色切削技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)旁核。在21世紀(jì)制造業(yè)的發(fā)展過(guò)程中沫跨，綠色切削技術(shù)必將得到更快的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。

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