1．引言

    環(huán)境、資源、人口是當今社會面臨的三大主要問題。依靠科技進步，實現(xiàn)節(jié)資增效，減少廢物排放，建立生產(chǎn)、消費與環(huán)境、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，在制造業(yè)實施綠色制造已勢在必行。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，綠色切削加工技術(shù)應(yīng)運而生。

    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)，以起到冷卻、潤滑、清洗、排屑、防銹等作用。隨著人類社會對環(huán)境保護的高度關(guān)注，使用切削液所帶來的負面影響已不容忽視。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％，其中包括購買切削液的費用、使用切削液所需設(shè)備費、維護及廢液處理費用等。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、磷、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，則會對環(huán)境造成污染。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、肺部疾病。

    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)，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、低溫切削、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。干式切削分為兩種，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干式切削，其使用的是最小量潤滑(Minimal Quantity Lubrication，MQL)技術(shù)。采用MQL技術(shù)的準干式切削適用于無法完全實現(xiàn)干切削的情況，如磨削加工及難加工材料的切削加工。采用準干切削加工后，刀具、工件和切屑都保持干燥，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。

    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，為實現(xiàn)干式切削，要求刀具材料必須具有較高的紅硬性、耐磨性、熱韌性和熱化學(xué)穩(wěn)定性，并且切屑、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，刀具強度和沖擊韌性要高。目前適用于干式切削的刀具材料有超細顆粒硬質(zhì)合金、金剛石、立方氮化硼、涂層硬質(zhì)合金等。

    美國學(xué)者開發(fā)的納米涂層(Nanocoatings)刀具，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、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)，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，具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能。

    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、BNX25。住硼磨料BNX10適用于淬硬鋼的高速連續(xù)干切削。對軸的外徑加工實例表明，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，且刀具的壽命大大提高。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，提高了耐缺損性和耐月牙洼磨耗性，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，與以往的刀具材料相比，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、Al203為基體，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，結(jié)果表明，當切削速度大于12Om/min時，刀具開始表現(xiàn)出高溫自潤滑性能，自潤滑膜的組成為Al203/TiBz陶瓷刀具中TiB2的氧化物，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，減輕刀具的粘著磨損，提高刀具的耐磨性能，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，試驗結(jié)果表明，刀尖積屑瘤非常小，工件表面粗糙度值較小，刀具的使用壽命遠高于硬質(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，提出了臨界硬度的概念，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)，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，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。研究表明，當淬硬材料硬度高于50HRC時，切削機理因金屬軟化效應(yīng)而發(fā)生變化，并由此導(dǎo)致切削力、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�，F(xiàn)有切削理論已不能解釋切削溫度的變化規(guī)律。

    在高速干切削方面，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，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部，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，從而提高材料去除率。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％)，因此干式切削加工技術(shù)的研究開發(fā)日益受到重視，目前歐洲約10％～15％的批量機械加工已采用干式或準干式切削技術(shù)。

    從加工方法上看，車削、銑削、滾齒等加工應(yīng)用干切削較多。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，在冷風冷卻、微量潤滑劑潤滑的條件下進行了高速滾齒加工，與傳統(tǒng)的濕式滾齒機(KA220型)和高速鋼滾刀加工相比，加工速度提高了2.3倍，加工齒輪精度也得到明顯提高。

    就工件材料而言，鑄鐵由于熔點高、熱擴散系數(shù)小，最適合進行干切削。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，由于CNB具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，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。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，在實際生產(chǎn)中已有加工鋁合金零件的準干式切削生產(chǎn)線投入運行。對于難加工材料，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、液態(tài)二氧化碳和冷風等噴向加工系統(tǒng)的切削區(qū)域，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，提高工件的切削加工性、刀具壽命和工件表面質(zhì)量。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，低溫切削可分為冷風切削和液氮冷卻切削。

    低溫冷風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)，從而起到降溫、排屑、潤滑的作用。低溫冷風切削與傳統(tǒng)切削相比，能夠提高加工效率，改善工件表面質(zhì)量，而且對環(huán)境幾乎無污染。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管的結(jié)構(gòu)，使用一30℃的低溫冷風直接通向刀刃。該結(jié)構(gòu)大大改善了切削條件，有利于低溫冷風切削加工工藝的實施。橫川和彥對車削和銑削中的冷風冷卻進行了研究。在銑削試驗中，分別采用水基切削液、常溫風(+10℃)和冷風(一30℃)三種條件進行比較，結(jié)果表明，采用冷風切削時刀具耐用度顯著提高。在車削試驗中，冷風(一20℃)切削時刀具磨損率比常溫風(+20℃)切削時顯著下降。

(源自：)

   陳德成等人采用微量植物性潤滑油和冷風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，結(jié)果表明，這種方法可以減少工具磨損，提高加工表面質(zhì)量，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。陳德成等人還在冷風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，可抑制積屑瘤的產(chǎn)生，提高加工表面精度，并可省去廢液處理系統(tǒng)，實現(xiàn)綠色切削。

    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)；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。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，資源十分豐富，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。目前低溫切削加工主要應(yīng)用于鈦合金、高錳鋼、淬硬鋼等難加工材料的加工中。K P Raijurkar采用H13A硬質(zhì)合金刀具、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，與傳統(tǒng)的切削方法相比，刀具磨損明顯減少，切削溫度降低30％，工件表面加工質(zhì)量得到很大改善。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，采用間接冷卻方法低溫加工高錳鋼時，刀具所受沖擊力減少，刀具磨損減小，加工硬化現(xiàn)象得到改善，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，試驗結(jié)果表明，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。

    4．綠色濕式切削

    綠色濕式切削是指使用高性能、長壽命、低污染、可降解的新型綠色切削液，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)，并對其實施無害化處理，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、長壽命、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。美國Mobil化學(xué)公司研制出一種名叫MobilmentAquaRho的乳化液，其中添加了含磷、氮和硼的合成物，該乳化液的使用壽命達45個月以上。

    在我國，水基切削液的使用范圍越來越廣，且已開始從乳化液向性能好、壽命長的合成切削液、微乳化液過渡，礦物油逐漸被生物降解性好的植物油和合成酯所代替。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、非離子型表面活性劑和無機鹽配制而成，具有良好的降溫冷卻效果。劉鎮(zhèn)昌等人研制了一種低毒、低污染的低溫(即低凝點)切削液。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，并能有效抑制細菌繁殖，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，有利用環(huán)境保護，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，它具有良好的潤滑、冷卻性能和較好的防銹、防腐蝕性能，且無毒、無刺激性、無污染。

   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，切削工作處在最佳狀態(tài)下(即不縮短刀具使用壽命，不降低已加工表面質(zhì)量)，切削液的使用量達到最少。

    美國密執(zhí)安技術(shù)大學(xué)對切削加工中有關(guān)切削液的適當用量問題進行了研究，試圖在滿足加工要求的情況下，使切削液用量最少、與切削液有關(guān)的費用也降至最低。他們在福特汽車公司所做的試驗中，對切削液的濃度、工件材料、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、積屑瘤和切削力等作了分析，通過試驗得出了最適當?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，使切削液流或氣霧通過刀具作用于加工區(qū)域，切削液的流量由CNC程序控制，取得了很好的效果。王成勇等人采用最小潤滑技術(shù)鉆削多種復(fù)合板。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，會導(dǎo)致鋁板孔呈喇叭形，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)，使用涂層刀具并采用退刀排屑和擴孔方式加工，減小刃帶寬度，增大進給角和使用階梯軸，保證了孔的加工質(zhì)量。

    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，對其循環(huán)使用之前要進行凈化處理，其中包括過濾、殺菌等環(huán)節(jié)。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，結(jié)果表明，硅藻土過濾法的精度和效率較高，適合對膠狀及粘性物料的過濾。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，兩者聯(lián)用可實現(xiàn)冷卻液的零排放，從而消除了機械加工中冷卻液排放而帶來的環(huán)境污染，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，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，主要表現(xiàn)為刀具磨損嚴重，對刀具的材料和結(jié)構(gòu)要求較高，成本較大。同時，在于切削中還普遍存在粉塵和切屑處理比較困難、機床易生銹等問題。

    目前，低溫切削僅用于鈦合金、高錳鋼、淬硬鋼等一些難加工材料的加工中。相對于傳統(tǒng)的切削方法，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。同時，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。新型環(huán)保切削液I生能的研制、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世紀呼喚綠色制造，清潔生產(chǎn)需要綠色加工。綠色切削作為一項新的課題，正得到越來越廣泛的重視。雖然干式切削、低溫切削、綠色濕式切削等技術(shù)還有很多問題需要解決，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，綠色切削將是未來綠色制造業(yè)的重要組成部分。