切削加工冷却方法的现状与发展

研磨者

摘要：在概述了金属切削液及其发展的基础上，指出了目前冷却方法即使用切削液过程中存在的主要问题；列举了当前国内外在探索新的冷却方法方面的进展，提出在世界性环境意识提高的大背景下，少、无切削液加工技术将是制造业未来发展的一个重要趋势。

1 金属切削液的作用与发展

金属切削液作为机械加工重要的配套材料，它在机械加工中主要起冷却、润滑、清洗和防锈四个作用。在过去以及今后相当长的一段时期内，金属切削液在金属切削加工中的使用仍是金属切削加工中主要的冷却方法。

金属切削液的历史始于18世纪后期，当时金属切削以很低的速度进行。1883年，美国人F.M. Taylor发现将水浇注到切削区，可以提高切削速度、排除切屑。随着人们对金属切削加工质量的要求不断提高，人们又采用动植物油作为切削液。它能在金属表面形成比较牢固的吸附膜，降低工件表面粗糙度。但它易氧化变质，使用期限短。人们逐渐在实践中试着将脂肪油跟矿物油掺合而形成一种混合油。后来，含硫、氯、磷等有机化合物和其他添加剂的非活性极压油和活性极压油应运而生。它们与金属起化学反应，形成高熔点、低剪切强度的固体润滑膜，提高了切削液在高温、高压下降低摩擦和抗烧结的能力。随着切削速度和切削温度的不断提高，油基切削液不能完全满足切削要求，这时人们又开始重视水冷却的优点，把油的润滑性能与水的冷却性能结合起来，促使了乳化液的应用。现在又发展了合成和半合成切削液(即乳化液)，且分别形成了系列产品。近年来，人们又致力于低污染切削液的研制与开发，以减少切削废液对环境的危害。应该指出的是，任何一种切削液配方，或多或少几乎都对环境有害。即使对使用后的废液采取处理，也仍然存在一定含量对环境有害的物质。

关于切削液的种类和选用方法，已有大量的资料和文献供参考，在此不再赘述。

(a)普通浇注法	(a)后刀面浇注法
图1 几种刀具注液方式

2 传统冷却方式的作用与缺陷

1. 切削液加注方向对冷却效果的影响
   切削液的加注方向主要影响切削液能否充分地渗透到切削区。实际生产中，操作者一般多向刀具前刀面加注(见图1(a )所示)，这样有利于减小切削阻力，但切削液有时难以到达前刀面激烈摩擦的部位，因此产生了从后刀面加注的方法(见图1(b)所示)，这样，随着刀具前进造成的低压，切削液易于进入切削的接触部位。实验证明这样可延长刀具50%甚至2倍的寿命。对于平面磨削，在生产实践中一些操作者常常忽略磨削液浇注方向的作用，将磨削液的喷嘴设置成图2所示位置。由于砂轮高速旋转产生巨大的气流阻碍了磨削液进入磨削区，从而导致磨削过程的“事后”冷却，即此时磨削液仅对工件整体温度的降低起作用，而对处于磨削区的工件温度几乎不起任何冷却作用。

   切削液加注方式及其冷却效果

   切削液的加注方式也称供液法，按照加注原理主要有以下几种：

   1. 普通浇注法 这种供液方法主要由泵、管路系统、喷嘴组成。切削液由泵送出经喷嘴以一定的流速、流量浇到切削(磨削)区，在切屑容器内被分离后，又回到供液箱。该方法装置简单，在生产中应用最为广泛。美国的J . A . Webster对喷嘴的形状、位置等作了较深入的研究，从流体力学的高度上探讨了喷嘴形状对流速的影响，并得到了很多有益的结论。
      

      图2 平面磨削的“事后”冷却

      图3 刀具加压内冷却方法

      图4 一种典型的砂轮内冷却装置示意图

   2. 刀具加压内冷却法 其基本原理是在刀具上钻两个交叉孔，使切削液在压力作用下，在刀体内部循环而冷却的方法，如图3所示。加压内冷却法由于切削液的高速流动，改善了渗透性，使之易于达到切削区，同时因对流的加强也显著地改善了冷却效果。
   3. 砂轮内冷却法 砂轮内冷却的原理(见图4 )是将切削液引入砂轮架法兰与砂轮间的空隙，使之在随砂轮旋转所造成的离心力的作用下通过砂轮内部的气孔直接到达磨削弧区，起到冷却、润滑的作用。该方法冷却效果显著，但其缺点也显而易见：它要求砂轮必须有足够的孔隙，以利于传递切削液。它要求切削液必须经过很好的过滤，以防阻塞了砂轮的孔隙。它推广的最大障碍在于：磨床停机时，砂轮内的磨削液在重力的作用下会聚集到砂轮靠近地面的一侧，当重新启动时，砂轮将因磨削液分布不均而产生很大的偏心振动。这种振动对砂轮及机床的损害是很大的。
   4. 手工供液法 用油壶、笔、毛刷等供液，以达到冷却、润滑的目的。该方法常见于没有供液装置而需要冷却润滑的生产现场。如台钻等。

   综上，在切削加工中应根据具体情况选用合适的切削液加注方法。随着生产的发展，也必将有新的供液法出现。

   目前切削液使用存在的几个负面问题

   切削液由于其重要的作用，在机械加工中得到了广泛地应用。特别是近年来，一些先进制造工艺如超高速切削的出现，它的使用量更是成倍地增长。与此同时，它的使用也带来如下越来越多的负面问题。

   1. 增加了制造成本 据德国的许多公司的统计资料表明，使用切削液的费用占总制造成本的7%～17% ，而刀具消耗的费用仅占制造成本的2%～4%。美国Baylers刀具涂层公司也作了这方面的统计，结果是切削液的消耗是刀具费用的3～4倍。
   2. 引起了环境问题 在使用切削液较多的工序中，切削液会污染工作环境，工作区常常弥漫着较大的异味。切削液是机械加工中造成环境污染的重要根源。例如未处理的乳化液通常其含油量高达20000mg/L ，化学耗氧量(COD)高达9300mg/L，生物耗氧量(BOD)达9300mg/L。此外还含有大量的亚硝酸钠、三乙醇胺等缓蚀剂和表面活性剂。在我国，仅机械工业废乳化液的日排放量据不完全统计已近亿吨，可见其问题的严重性。
   3. 损害了工人健康 在切削过程中，切削液与人体直接接触，会诱发多种皮肤病甚至癌症，威胁或损害着工人的健康。
切削液的加注方向主要影响切削液能否充分地渗透到切削区。实际生产中，操作者一般多向刀具前刀面加注(见图1(a )所示)，这样有利于减小切削阻力，但切削液有时难以到达前刀面激烈摩擦的部位，因此产生了从后刀面加注的方法(见图1(b)所示)，这样，随着刀具前进造成的低压，切削液易于进入切削的接触部位。实验证明这样可延长刀具50%甚至2倍的寿命。对于平面磨削，在生产实践中一些操作者常常忽略磨削液浇注方向的作用，将磨削液的喷嘴设置成图2所示位置。由于砂轮高速旋转产生巨大的气流阻碍了磨削液进入磨削区，从而导致磨削过程的“事后”冷却，即此时磨削液仅对工件整体温度的降低起作用，而对处于磨削区的工件温度几乎不起任何冷却作用。
切削液加注方式及其冷却效果
切削液的加注方式也称供液法，按照加注原理主要有以下几种：
1. 普通浇注法 这种供液方法主要由泵、管路系统、喷嘴组成。切削液由泵送出经喷嘴以一定的流速、流量浇到切削(磨削)区，在切屑容器内被分离后，又回到供液箱。该方法装置简单，在生产中应用最为广泛。美国的J . A . Webster对喷嘴的形状、位置等作了较深入的研究，从流体力学的高度上探讨了喷嘴形状对流速的影响，并得到了很多有益的结论。
   

   图2 平面磨削的“事后”冷却

   图3 刀具加压内冷却方法

   图4 一种典型的砂轮内冷却装置示意图

2. 刀具加压内冷却法 其基本原理是在刀具上钻两个交叉孔，使切削液在压力作用下，在刀体内部循环而冷却的方法，如图3所示。加压内冷却法由于切削液的高速流动，改善了渗透性，使之易于达到切削区，同时因对流的加强也显著地改善了冷却效果。
3. 砂轮内冷却法 砂轮内冷却的原理(见图4 )是将切削液引入砂轮架法兰与砂轮间的空隙，使之在随砂轮旋转所造成的离心力的作用下通过砂轮内部的气孔直接到达磨削弧区，起到冷却、润滑的作用。该方法冷却效果显著，但其缺点也显而易见：它要求砂轮必须有足够的孔隙，以利于传递切削液。它要求切削液必须经过很好的过滤，以防阻塞了砂轮的孔隙。它推广的最大障碍在于：磨床停机时，砂轮内的磨削液在重力的作用下会聚集到砂轮靠近地面的一侧，当重新启动时，砂轮将因磨削液分布不均而产生很大的偏心振动。这种振动对砂轮及机床的损害是很大的。
4. 手工供液法 用油壶、笔、毛刷等供液，以达到冷却、润滑的目的。该方法常见于没有供液装置而需要冷却润滑的生产现场。如台钻等。
综上，在切削加工中应根据具体情况选用合适的切削液加注方法。随着生产的发展，也必将有新的供液法出现。
目前切削液使用存在的几个负面问题
切削液由于其重要的作用，在机械加工中得到了广泛地应用。特别是近年来，一些先进制造工艺如超高速切削的出现，它的使用量更是成倍地增长。与此同时，它的使用也带来如下越来越多的负面问题。
1. 增加了制造成本 据德国的许多公司的统计资料表明，使用切削液的费用占总制造成本的7%～17% ，而刀具消耗的费用仅占制造成本的2%～4%。美国Baylers刀具涂层公司也作了这方面的统计，结果是切削液的消耗是刀具费用的3～4倍。
2. 引起了环境问题 在使用切削液较多的工序中，切削液会污染工作环境，工作区常常弥漫着较大的异味。切削液是机械加工中造成环境污染的重要根源。例如未处理的乳化液通常其含油量高达20000mg/L ，化学耗氧量(COD)高达9300mg/L，生物耗氧量(BOD)达9300mg/L。此外还含有大量的亚硝酸钠、三乙醇胺等缓蚀剂和表面活性剂。在我国，仅机械工业废乳化液的日排放量据不完全统计已近亿吨，可见其问题的严重性。
3. 损害了工人健康 在切削过程中，切削液与人体直接接触，会诱发多种皮肤病甚至癌症，威胁或损害着工人的健康。
2. 切削液加注方式及其冷却效果
   切削液的加注方式也称供液法，按照加注原理主要有以下几种：

   1. 普通浇注法 这种供液方法主要由泵、管路系统、喷嘴组成。切削液由泵送出经喷嘴以一定的流速、流量浇到切削(磨削)区，在切屑容器内被分离后，又回到供液箱。该方法装置简单，在生产中应用最为广泛。美国的J . A . Webster对喷嘴的形状、位置等作了较深入的研究，从流体力学的高度上探讨了喷嘴形状对流速的影响，并得到了很多有益的结论。
      

      图2 平面磨削的“事后”冷却

      图3 刀具加压内冷却方法

      图4 一种典型的砂轮内冷却装置示意图

   2. 刀具加压内冷却法 其基本原理是在刀具上钻两个交叉孔，使切削液在压力作用下，在刀体内部循环而冷却的方法，如图3所示。加压内冷却法由于切削液的高速流动，改善了渗透性，使之易于达到切削区，同时因对流的加强也显著地改善了冷却效果。
   3. 砂轮内冷却法 砂轮内冷却的原理(见图4 )是将切削液引入砂轮架法兰与砂轮间的空隙，使之在随砂轮旋转所造成的离心力的作用下通过砂轮内部的气孔直接到达磨削弧区，起到冷却、润滑的作用。该方法冷却效果显著，但其缺点也显而易见：它要求砂轮必须有足够的孔隙，以利于传递切削液。它要求切削液必须经过很好的过滤，以防阻塞了砂轮的孔隙。它推广的最大障碍在于：磨床停机时，砂轮内的磨削液在重力的作用下会聚集到砂轮靠近地面的一侧，当重新启动时，砂轮将因磨削液分布不均而产生很大的偏心振动。这种振动对砂轮及机床的损害是很大的。
   4. 手工供液法 用油壶、笔、毛刷等供液，以达到冷却、润滑的目的。该方法常见于没有供液装置而需要冷却润滑的生产现场。如台钻等。
   综上，在切削加工中应根据具体情况选用合适的切削液加注方法。随着生产的发展，也必将有新的供液法出现。

   目前切削液使用存在的几个负面问题

   切削液由于其重要的作用，在机械加工中得到了广泛地应用。特别是近年来，一些先进制造工艺如超高速切削的出现，它的使用量更是成倍地增长。与此同时，它的使用也带来如下越来越多的负面问题。

   1. 增加了制造成本 据德国的许多公司的统计资料表明，使用切削液的费用占总制造成本的7%～17% ，而刀具消耗的费用仅占制造成本的2%～4%。美国Baylers刀具涂层公司也作了这方面的统计，结果是切削液的消耗是刀具费用的3～4倍。
   2. 引起了环境问题 在使用切削液较多的工序中，切削液会污染工作环境，工作区常常弥漫着较大的异味。切削液是机械加工中造成环境污染的重要根源。例如未处理的乳化液通常其含油量高达20000mg/L ，化学耗氧量(COD)高达9300mg/L，生物耗氧量(BOD)达9300mg/L。此外还含有大量的亚硝酸钠、三乙醇胺等缓蚀剂和表面活性剂。在我国，仅机械工业废乳化液的日排放量据不完全统计已近亿吨，可见其问题的严重性。
   3. 损害了工人健康 在切削过程中，切削液与人体直接接触，会诱发多种皮肤病甚至癌症，威胁或损害着工人的健康。
3. 目前切削液使用存在的几个负面问题
   切削液由于其重要的作用，在机械加工中得到了广泛地应用。特别是近年来，一些先进制造工艺如超高速切削的出现，它的使用量更是成倍地增长。与此同时，它的使用也带来如下越来越多的负面问题。

   1. 增加了制造成本 据德国的许多公司的统计资料表明，使用切削液的费用占总制造成本的7%～17% ，而刀具消耗的费用仅占制造成本的2%～4%。美国Baylers刀具涂层公司也作了这方面的统计，结果是切削液的消耗是刀具费用的3～4倍。
   2. 引起了环境问题 在使用切削液较多的工序中，切削液会污染工作环境，工作区常常弥漫着较大的异味。切削液是机械加工中造成环境污染的重要根源。例如未处理的乳化液通常其含油量高达20000mg/L ，化学耗氧量(COD)高达9300mg/L，生物耗氧量(BOD)达9300mg/L。此外还含有大量的亚硝酸钠、三乙醇胺等缓蚀剂和表面活性剂。在我国，仅机械工业废乳化液的日排放量据不完全统计已近亿吨，可见其问题的严重性。
   3. 损害了工人健康 在切削过程中，切削液与人体直接接触，会诱发多种皮肤病甚至癌症，威胁或损害着工人的健康。

3 基于环保的“绿色”冷却方法的探索发展

切削过程的研究表明：切削液传统的冷却、润滑、排屑等作用在加工过程中并未得到充分有效地发挥，因此人们试图不用或少用切削液，以适应降低成本，减少环境污染的要求。这就是方兴未艾的少无切削液技术，其中以近来兴起的干切削(Dry Machining)技术最为引人注目。干切削的科学意义在1995年被正式确立。它是指在机械加工中，为保护环境和降低成本而有意识地减少或完全停止切削液的使用。切削力大、切削温度高是干切削的特点，刀具能否克服这些不利影响，是干切削顺利实施的关键所在。在过程中，还会出现许多湿切削中没有出现过的问题，机床设计时应予充分考虑。虽然干切削还有许多技术难题有待进一步解决，但它是一种很有前途的加工方法。

目前干切削的应用范围比较有限，而完全的湿切削又有诸多不足，若两者结合，既可满足加工要求，又可使与切削液有关的费用降到最低，介于干切削与湿切削之间，这就是准干切削技术。由于它使用的切削液的量为最少(minimum quantity lubrication，或MQL)，因而切削液供给系统简单、体积小，容易布局。如美国Thyessn公司将润滑系统集成在主轴电机中，其流量由CNC 程序控制，该单元在6.5s时间内可钻削10个8mm、中心距为20mm的孔，每一小时仅用一杯润滑油，且大部分被蒸发，切屑中切削液含量大大减少。因此，处理费用大幅下降。准干切削技术的一个重要的问题是最少的切削液量是多少，目前正在深入探讨之中。

在日本，丰田公司最近开发出一种不用切削液的磨削技术，并应用在自制的CNC外圆磨床外，积累了实际应用经验。该技术是以-30 ℃ 的冷空气代替传统的切削液进行冷却。低温气体冷却技术是一种非常有前途的新技术，据资料表明：低温气体冷却可以理想地消除金相变化，并能改善工件的表面完整性。它能减少切削液的相关费用、回收切屑和改善作业环境。为增加润滑效果，还在喷头处供给了少量润滑油。该技术是在世界环境意识提高的背景下开发的，无疑将成为今后产品开发的新潮流。

综上所述，探索新型高效且对环境污染小乃至无污染的冷却方法已成为制造业函待解决的难题。显然仅从切削液的角度去考虑问题显然是不够的，必须从可持续发展的高度去认识。我国政府对环境问题十分重视，制订了各种法规保护环境，并提出了可持续发展战略。对制造业而言，可持续发展的实质就是如何最大限度地利用资源和最低限度地产生废弃物。如上所述，切削液的负面问题显然是和可持续发展思想格格不入的，因而制造业面临的环保压力越来越大。新的环保型“绿色”制造工艺的研究势在必行，新的冷却方法的探索日趋重要。