1．引言

    環(huán)境法绵、資源、人口是當(dāng)今社會(huì)面臨的三大主要問題拘绳。依靠科技進(jìn)步吱瘩，實(shí)現(xiàn)節(jié)資增效恋瞳，減少廢物排放撤嫩，建立生產(chǎn)腌哎、消費(fèi)與環(huán)境照窥、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)展的必由之路稽舱。進(jìn)入21世紀(jì)积辞，在制造業(yè)實(shí)施綠色制造已勢(shì)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)趋大，在此背景下菠卖，綠色切削加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生咏肠。

    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)相种，以起到冷卻威恼、潤滑、清洗寝并、排屑箫措、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)注衬潦，使用切削液所帶來的負(fù)面影響已不容忽視斤蔓。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)镀岛，切削液的成本占總制造成本的16．9％弦牡，其中包括購買切削液的費(fèi)用、使用切削液所需設(shè)備費(fèi)漂羊、維護(hù)及廢液處理費(fèi)用等驾锰。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走越、磷椭豫、氯等對(duì)環(huán)境有害的添加劑，如排放前未經(jīng)處理或處理不當(dāng)买喧，則會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染霉枢。③切削液對(duì)操作工人的健康造成威脅首冒，會(huì)誘發(fā)多種皮膚病和呼吸道榔屈、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)烙损，它要求在整個(gè)加工過程中做到對(duì)環(huán)境的污染最小和對(duì)資源的利用率最高亏铭。目前國內(nèi)外對(duì)綠色切削的研究主要集中在干式切削、低溫切削诺订、綠色濕式切削等幾個(gè)方面闰纪。

    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。干式切削分為兩種马榆，一種為完全不使用切削液的干式切削畴瓜，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，其使用的是最小量潤滑(Minimal Quantity Lubrication庞吆，MQL)技術(shù)轨充。采用MQL技術(shù)的準(zhǔn)干式切削適用于無法完全實(shí)現(xiàn)干切削的情況，如磨削加工及難加工材料的切削加工弄察。采用準(zhǔn)干切削加工后蜂筹，刀具、工件和切屑都保持干燥，切屑無需處理便可回收利用艺挪。

    目前對(duì)干式切削的研究主要集中在以下幾個(gè)方面不翩。

    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(shí)現(xiàn)干式切削麻裳，要求刀具材料必須具有較高的紅硬性口蝠、耐磨性、熱韌性和熱化學(xué)穩(wěn)定性津坑，并且切屑亚皂、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)便于排屑国瓮，刀具強(qiáng)度和沖擊韌性要高灭必。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、金剛石乃摹、立方氮化硼禁漓、涂層硬質(zhì)合金等。

    美國學(xué)者開發(fā)的納米涂層(Nanocoatings)刀具踪觉，可采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合泳寥、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合撕第、固體潤滑劑/金屬組合等)疹神，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抓深，具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能掀尊。

    日本住友電氣工業(yè)公司開發(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、BNX25斟记。住硼磨料BNX10適用于淬硬鋼的高速連續(xù)干切削玩猿。對(duì)軸的外徑加工實(shí)例表明，與陶瓷刀具相比盈械，BNX10可獲得較高的加工表面光潔度和穩(wěn)定的尺寸精度魄恭，且刀具的壽命大大提高。住硼磨料BNX25通過優(yōu)化CBN粒度及含有率案贩，以及采用特殊陶瓷材料作為結(jié)合相揣褂，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)切削加工攒庵。對(duì)套筒材料外徑的高速切削加工實(shí)例表明嘴纺，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叙甸。

    鄧建新等人以TiB2為添加劑颖医、Al203為基體位衩，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)熔萧，結(jié)果表明糖驴，當(dāng)切削速度大于12Om/min時(shí)，刀具開始表現(xiàn)出高溫自潤滑性能佛致，自潤滑膜的組成為Al203/TiBz陶瓷刀具中TiB2的氧化物贮缕，它能在刀具表面起到固體潤滑劑的作用，進(jìn)而降低前刀面的摩擦俺榆，減輕刀具的粘著磨損感昼，提高刀具的耐磨性能，具有良好的減摩和抗磨作用罐脊。

    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定嗓，試驗(yàn)結(jié)果表明，刀尖積屑瘤非常小萎雁，工件表面粗糙度值較小长恒，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(jī)理的研究

    劉獻(xiàn)禮等人通過對(duì)不同硬度淬硬軸承鋼GCrI5的干式切削試驗(yàn)您眉，提出了臨界硬度的概念北取，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)林皇，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)理涯翠，切削溫度對(duì)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妓付，并進(jìn)一步影響已加工表面的形成及其質(zhì)量憔吉。研究表明，當(dāng)淬硬材料硬度高于50HRC時(shí)婴可，切削機(jī)理因金屬軟化效應(yīng)而發(fā)生變化耸挟，并由此導(dǎo)致切削力死唇、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∪渌睿現(xiàn)有切削理論已不能解釋切削溫度的變化規(guī)律。

    在高速干切削方面配紫，美國Makino公司提出“紅月牙”(Red Crescent)干切削工藝径密。其機(jī)理是由于切削速度很高，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部躺孝，使切削區(qū)附近的工件材料達(dá)到紅熱狀態(tài)享扔，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度明顯下降，從而提高材料去除率植袍。目前主要采用PCBN和陶瓷等刀具來實(shí)現(xiàn)這種工藝惧眠。

   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％)籽懦，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(jī)械加工已采用干式或準(zhǔn)干式切削技術(shù)氛魁。

    從加工方法上看暮顺，車削、銑削秀存、滾齒等加工應(yīng)用干切削較多捶码。日本堅(jiān)藤鐵工所用開發(fā)的KC250H型干式滾齒機(jī)和硬質(zhì)合金滾刀，在冷風(fēng)冷卻或链、微量潤滑劑潤滑的條件下進(jìn)行了高速滾齒加工惫恼，與傳統(tǒng)的濕式滾齒機(jī)(KA220型)和高速鋼滾刀加工相比，加工速度提高了2.3倍嚎衡，加工齒輪精度也得到明顯提高垃燃。

    就工件材料而言，鑄鐵由于熔點(diǎn)高漓荞、熱擴(kuò)散系數(shù)小池膜，最適合進(jìn)行干切削。Spur和Lachmund陶瓷刀具和CNB刀具高速切削鑄鐵的試驗(yàn)結(jié)果表明箭基，由于CNB具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)盘称，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芭甚。鋁及鋁合金是難于進(jìn)行干切削的材料兔阿，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少煮，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)行蜕逾。對(duì)于難加工材料，則已開發(fā)了使用激光輔助進(jìn)行干切削的加工技術(shù)竿丙。
 
  3．低溫切削

    低溫切削是利用低溫流體如液態(tài)氮挑庶、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，造成切削區(qū)的局部低溫或超低溫狀態(tài)软能，利用工件在低溫條件下產(chǎn)生的低溫脆性迎捺，提高工件的切削加工性、刀具壽命和工件表面質(zhì)量查排。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同凳枝，低溫切削可分為冷風(fēng)切削和液氮冷卻切削。

    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)的低溫氣流跋核，并混入微量的植物性潤滑劑(每小時(shí)10～20ml)岖瑰，從而起到降溫、排屑砂代、潤滑的作用蹋订。低溫冷風(fēng)切削與傳統(tǒng)切削相比率挣，能夠提高加工效率，改善工件表面質(zhì)量露戒，而且對(duì)環(huán)境幾乎無污染难礼。日本安田工業(yè)公司的加工中心采用在電機(jī)軸、刀桿軸的中心插入絕熱風(fēng)管的結(jié)構(gòu)墩倔，使用一30℃的低溫冷風(fēng)直接通向刀刃涂颠。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)施摇皿。橫川和彥對(duì)車削和銑削中的冷風(fēng)冷卻進(jìn)行了研究俗齿。在銑削試驗(yàn)中，分別采用水基切削液泳嵌、常溫風(fēng)(+10℃)和冷風(fēng)(一30℃)三種條件進(jìn)行比較圆滓，結(jié)果表明，采用冷風(fēng)切削時(shí)刀具耐用度顯著提高膊抄。在車削試驗(yàn)中存站，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。

(源自：)

   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(duì)難加工材料高硅鋁合金進(jìn)行了切削加工試驗(yàn)膛逞，結(jié)果表明滚曾，這種方法可以減少工具磨損，提高加工表面質(zhì)量蟹幔，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)而造成的刀具磨損制依。陳德成等人還在冷風(fēng)冷卻和微量植物油潤滑條件下進(jìn)行了切削加工不銹鋼的試驗(yàn)，結(jié)果表明惨奕，這種方法延長(zhǎng)了刀具的使用壽命雪位，可抑制積屑瘤的產(chǎn)生，提高加工表面精度梨撞，并可省去廢液處理系統(tǒng)雹洗，實(shí)現(xiàn)綠色切削。

    液氮冷卻切削主要有兩種應(yīng)用形式卧波，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)时肿；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?dú)馐谴髿庵泻�量最多的成分幽勒，氮�(dú)庾鳛橹蒲豕�業(yè)的副產(chǎn)品嗜侮，資源十分豐富，由于液氮使用后直接揮發(fā)成氣體返回大氣中啥容，因此不會(huì)留下任何污染。目前低溫切削加工主要應(yīng)用于鈦合金顷霹、高錳鋼咪惠、淬硬鋼等難加工材料的加工中击吱。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(duì)鈦合金進(jìn)行了低溫切削加工試驗(yàn)馁胁，試驗(yàn)結(jié)果表明帖与，與傳統(tǒng)的切削方法相比，刀具磨損明顯減少六主，切削溫度降低30％架看，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(duì)高錳鋼進(jìn)行了低溫切削加工試驗(yàn)篱掌，結(jié)果表明锦列，采用間接冷卻方法低溫加工高錳鋼時(shí)，刀具所受沖擊力減少耿窍，刀具磨損減小誊预，加工硬化現(xiàn)象得到改善，工件表面質(zhì)量也有所提高较搔。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淬硬鋼寡瘩，試驗(yàn)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屈淫，改善工件表面質(zhì)量管书。

    4．綠色濕式切削

    綠色濕式切削是指使用高性能、長(zhǎng)壽命截碴、低污染在跳、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隐岛，增加切削液循環(huán)使用的次數(shù)猫妙，并對(duì)其實(shí)施無害化處理，從而達(dá)到綠色環(huán)保要求的切削加工方式聚凹。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 高性能割坠、長(zhǎng)壽命、低污染切削液的開發(fā)

    目前發(fā)達(dá)國家已普遍使用微乳化液妒牙，并正在大力研究環(huán)保型切削液彼哼。美國Mobil化學(xué)公司研制出一種名叫MobilmentAquaRho的乳化液，其中添加了含磷湘今、氮和硼的合成物敢朱，該乳化液的使用壽命達(dá)45個(gè)月以上。

    在我國摩瞎，水基切削液的使用范圍越來越廣拴签，且已開始從乳化液向性能好、壽命長(zhǎng)的合成切削液、微乳化液過渡劫陌，礦物油逐漸被生物降解性好的植物油和合成酯所代替折焙。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碱框、非離子型表面活性劑和無機(jī)鹽配制而成层漠，具有良好的降溫冷卻效果。劉鎮(zhèn)昌等人研制了一種低毒册灾、低污染的低溫(即低凝點(diǎn))切削液涨旨。該切削液具有良好的低溫流動(dòng)性、極強(qiáng)的冷卻性能和較好的潤滑性能拷拗，并能有效抑制細(xì)菌繁殖槽叮，大大延長(zhǎng)切削液的使用壽命，從而可減少切削廢液的排放量于嚼，有利用環(huán)境保護(hù)越名，具有較好的社會(huì)效益。上海海營化工工貿(mào)實(shí)業(yè)公司開發(fā)了一種高科技綠色環(huán)保冷卻液——MCT潤滑冷卻液处监，它具有良好的潤滑渺蒿、冷卻性能和較好的防銹、防腐蝕性能彪薛，且無毒茂装、無刺激性、無污染善延。

   4.2 “最小潤滑”技術(shù)的研究

    最少量潤滑(MQL)技術(shù)是指在切削中少态，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)易遣，切削液的使用量達(dá)到最少彼妻。

    美國密執(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)用量問題進(jìn)行了研究，試圖在滿足加工要求的情況下豆茫，使切削液用量最少侨歉、與切削液有關(guān)的費(fèi)用也降至最低。他們?cè)诟Ｌ仄�車公司所做的試�?yàn)中揩魂，對(duì)切削液的濃度幽邓、工件材料、刀具類型及幾何參數(shù)等都進(jìn)行了測(cè)試與研究火脉，并對(duì)工件表面粗糙度核必、積屑瘤和切削力等作了分析，通過試驗(yàn)得出了最適當(dāng)?shù)那邢饕河昧科放础Ｃ绹鳷hyssen制造公司對(duì)“最小潤滑”加工技術(shù)進(jìn)行了研究荒鳖，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，取得了很好的效果垮撇。王成勇等人采用最小潤滑技術(shù)鉆削多種復(fù)合板法简。在鉆削鋁一鈦多層復(fù)合板時(shí)荡唾，鉆削鈦板切屑的摩擦磨損作用状堰，會(huì)導(dǎo)致鋁板孔呈喇叭形，孔徑波動(dòng)幅度和平均孔徑值增大并可能超差矩允。試驗(yàn)采用了最少量潤滑技術(shù)糯驯，使用涂層刀具并采用退刀排屑和擴(kuò)孔方式加工，減小刃帶寬度赵椰，增大進(jìn)給角和使用階梯軸耙福，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

    一般情況下姜钳，冷卻液是循環(huán)使用的坦冠，對(duì)其循環(huán)使用之前要進(jìn)行凈化處理，其中包括過濾哥桥、殺菌等環(huán)節(jié)辙浑。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(yàn)，結(jié)果表明拟糕，硅藻土過濾法的精度和效率較高判呕，適合對(duì)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送滞，該裝置包括滾筒內(nèi)刮渣磁分離機(jī)和電子臭氧滅菌器侠草，兩者聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)冷卻液的零排放，從而消除了機(jī)械加工中冷卻液排放而帶來的環(huán)境污染犁嗅，并且可節(jié)約切削液边涕。

    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(qiáng)度鋼的干切削應(yīng)用方面仍存在問題褂微，主要表現(xiàn)為刀具磨損嚴(yán)重功蜓，對(duì)刀具的材料和結(jié)構(gòu)要求較高，成本較大蕊梧。同時(shí)划搓，在于切削中還普遍存在粉塵和切屑處理比較困難、機(jī)床易生銹等問題配亮。

    目前验脐，低溫切削僅用于鈦合金、高錳鋼增荐、淬硬鋼等一些難加工材料的加工中织活。相對(duì)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)用的前提稼那。同時(shí)褒饱，機(jī)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搞吱。新型環(huán)保切削液I生能的研制援儡、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)呼喚綠色制造硼县，清潔生產(chǎn)需要綠色加工酿装。綠色切削作為一項(xiàng)新的課題，正得到越來越廣泛的重視晦嵌。雖然干式切削同辣、低溫切削、綠色濕式切削等技術(shù)還有很多問題需要解決惭载，但與傳統(tǒng)的加工方法相比旱函，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)的重要組成部分描滔。