绿色切削加工技术的研究现状与进展

魔神

    

　　1.引言

　　环境、资源、人口是当今社会面临的三大主要问题。依靠科技进步，实现节资增效，减少废物排放，建立生产、消费与环境、资源相互协调的发展模式已成为人类社会可持续发展的必由之路。进入21世纪，在制造业实施绿色制造已势在必行。切削加工作为制造业重要而应用广泛的加工方法正面临新的挑战，在此背景下，绿色切削加工技术应运而生。

　　在传统的切削加工中，需要使用大量切削液浇注在切削区，以起到冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等作用。随着人类社会对环境保护的高度关注，使用切削液所带来的负面影响已不容忽视。这些影响主要表现在：①大量使用切削液增加了制造成本。在欧洲汽车制造业，切削液的成本占总制造成本的16.9%，其中包括购买切削液的费用、使用切削液所需设备费、维护及废液处理费用等。而刀具成本仅占总制造成本的7.5%。②切削液中含有矿物油及硫、磷、氯等对环境有害的添加剂，如排放前未经处理或处理不当，则会对环境造成污染。③切削液对操作工人的健康造成威胁，会诱发多种皮肤病和呼吸道、肺部疾病。

　　绿色切削加工技术是一种充分考虑环境和资源问题的加工技术，它要求在整个加工过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。目前国内外对绿色切削的研究主要集中在干式切削、低温切削、绿色湿式切削等几个方面。

　　2.干式切削

　　干式切削是指在机械加工中为了保护环境和降低成本而有意识地减少使用或不使用切削液的加工方法。干式切削分为两种，一种为完全不使用切削液的干式切削，另一种为用气体混合微量润滑剂代替切削液的准干式切削，其使用的是最小量润滑(Minimal Quantity Lubrication，MQL)技术。采用MQL技术的准干式切削适用于无法完全实现干切削的情况，如磨削加工及难加工材料的切削加工。采用准干切削加工后，刀具、工件和切屑都保持干燥，切屑无需处理便可回收利用。

　　目前对干式切削的研究主要集中在以下几个方面。

　　2.1干式切削加工刀具的研究

　　由于干式切削的温度比湿式切削高得多，为实现干式切削，要求刀具材料必须具有较高的红硬性、耐磨性、热韧性和热化学稳定性，并且切屑、工件与刀具之间的摩擦系数应尽可能小。刀具结构应便于排屑，刀具强度和冲击韧性要高。目前适用于干式切削的刀具材料有超细颗粒硬质合金、金刚石、立方氮化硼、涂层硬质合金等。

　　美国学者开发的纳米涂层(Nanocoatings)刀具，可采用多种材料的不同组合(如金属/金属组合、金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等)，以满足不同的功能和性能要求。纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加，具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能。

　　日本住友电气工业公司开发了能以较高速度对淬硬钢进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适用于淬硬钢的高速连续干切削。对轴的外径加工实例表明，与陶瓷刀具相比，BNX10可获得较高的加工表面光洁度和稳定的尺寸精度，且刀具的寿命大大提高。住硼磨料BNX25通过优化CBN粒度及含有率，以及采用特殊陶瓷材料作为结合相，提高了耐缺损性和耐月牙洼磨耗性，适用于淬硬钢的高速断续切削加工。对套筒材料外径的高速切削加工实例表明，与以往的刀具材料相比，在高速切削的条件下使用BNX25刀具的寿命也有所提高。

　　邓建新等人以TiB2为添加剂、Al203为基体，研制了Al203/TiB2陶瓷刀具材料。用该陶瓷刀具对淬硬钢进行高速干切削试验，结果表明，当切削速度大于12Om/min时，刀具开始表现出高温自润滑性能，自润滑膜的组成为Al203/TiBz陶瓷刀具中TiB2的氧化物，它能在刀具表面起到固体润滑剂的作用，进而降低前刀面的摩擦，减轻刀具的粘着磨损，提高刀具的耐磨性能，具有良好的减摩和抗磨作用。

　　杨海东等人利用YT15基体的氮化碳薄膜涂层刀具干车削硅铝合金，试验结果表明，刀尖积屑瘤非常小，工件表面粗糙度值较小，刀具的使用寿命远高于硬质合金。

　　2.2干式切削加工机理的研究

　　刘献礼等人通过对不同硬度淬硬轴承钢GCrI5的干式切削试验，提出了临界硬度的概念，并得出50HRC为区分硬态切削与普通切削GCrl5的临界硬度的结论。从切削热的角度出发，淬硬钢的硬态干式切削机理就是被切削金属层的软化作用机理，切削温度对金属软化效应起着决定性作用，工件硬度随切削温度的升高而降低，并进一步影响已加工表面的形成及其质量。研究表明，当淬硬材料硬度高于50HRC时，切削机理因金属软化效应而发生变化，并由此导致切削力、已加工表面残余应力分布和白层的产生情况发生变化。现有切削理论已不能解释切削温度的变化规律。

　　在高速干切削方面，美国Makino公司提出“红月牙”(Red Crescent)干切削工艺。其机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近的工件材料达到红热状态，导致屈服强度明显下降，从而提高材料去除率。目前主要采用PCBN和陶瓷等刀具来实现这种工艺。

　　2.3干式切削加工的应用

　　由于采用干式切削有利于环境保护和降低加工成本(可节省加工费用10%～15%)，因此干式切削加工技术的研究开发日益受到重视，目前欧洲约10%～15%的批量机械加工已采用干式或准干式切削技术。

　　从加工方法上看，车削、铣削、滚齿等加工应用干切削较多。日本坚藤铁工所用开发的KC250H型干式滚齿机和硬质合金滚刀，在冷风冷却、微量润滑剂润滑的条件下进行了高速滚齿加工，与传统的湿式滚齿机(KA220型)和高速钢滚刀加工相比，加工速度提高了2.3倍，加工齿轮精度也得到明显提高。

　　就工件材料而言，铸铁由于熔点高、热扩散系数小，最适合进行干切削。Spur和Lachmund陶瓷刀具和CNB刀具高速切削铸铁的试验结果表明，由于CNB具有较高的导热系数，能快速带走工件的热量，因此CNB刀具比陶瓷刀具更适合铸铁材料的高速切削。铝及铝合金是难于进行干切削的材料，但通过采用MQL润滑的高速准干式切削，在解决切屑与刀具粘结及铝件热变形方面已获得突破，在实际生产中已有加工铝合金零件的准干式切削生产线投入运行。对于难加工材料，则已开发了使用激光辅助进行干切削的加工技术。

　　3.低温切削

　　低温切削是利用低温流体如液态氮、液态二氧化碳和冷风等喷向加工系统的切削区域，造成切削区的局部低温或超低温状态，利用工件在低温条件下产生的低温脆性，提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量。根据冷却介质的不同，低温切削可分为冷风切削和液氮冷却切削。

　　低温冷风切削法是通过向刀尖的加工部位喷-20℃～-30℃(甚至更低)的低温气流，并混入微量的植物性润滑剂(每小时10～20ml)，从而起到降温、排屑、润滑的作用。低温冷风切削与传统切削相比，能够提高加工效率，改善工件表面质量，而且对环境几乎无污染。日本安田工业公司的加工中心采用在电机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管的结构，使用一30℃的低温冷风直接通向刀刃。该结构大大改善了切削条件，有利于低温冷风切削加工工艺的实施。横川和彦对车削和铣削中的冷风冷却进行了研究。在铣削试验中，分别采用水基切削液、常温风(+10℃)和冷风(一30℃)三种条件进行比较，结果表明，采用冷风切削时刀具耐用度显著提高。在车削试验中，冷风(一20℃)切削时刀具磨损率比常温风(+20℃)切削时显著下降。

　　陈德成等人采用微量植物性润滑油和冷风切削的方法对难加工材料高硅铝合金进行了切削加工试验，结果表明，这种方法可以减少工具磨损，提高加工表面质量，并可避免使用水溶性切削油时因混人切削液中的硅结晶粒子的循环而造成的刀具磨损。陈德成等人还在冷风冷却和微量植物油润滑条件下进行了切削加工不锈钢的试验，结果表明，这种方法延长了刀具的使用寿命，可抑制积屑瘤的产生，提高加工表面精度，并可省去废液处理系统，实现绿色切削。

　　液氮冷却切削主要有两种应用形式，一种是利用瓶装压力将液氮像切削液一样直接喷射到切削区；另一种是利用液氮受热蒸发循环来间接冷却刀具或工件。氮气是大气中含量最多的成分，氮气作为制氧工业的副产品，资源十分丰富，由于液氮使用后直接挥发成气体返回大气中，因此不会留下任何污染。目前低温切削加工主要应用于钛合金、高锰钢、淬硬钢等难加工材料的加工中。K P Raijurkar采用H13A硬质合金刀具、并用液氮循环冷却刀具的方法对钛合金进行了低温切削加工试验，试验结果表明，与传统的切削方法相比，刀具磨损明显减少，切削温度降低30%，工件表面加工质量得到很大改善。万光民采用间接冷却方法对高锰钢进行了低温切削加工试验，结果表明，采用间接冷却方法低温加工高锰钢时，刀具所受冲击力减少，刀具磨损减小，加工硬化现象得到改善，工件表面质量也有所提高。王连鹏等人采用液氮喷淋的方法在数控机床上低温切削加工45淬硬钢，试验结果表明，采用液氮喷淋式低温加工45淬硬钢可以提高刀具耐用度，改善工件表面质量。

　　4.绿色湿式切削

　　绿色湿式切削是指使用高性能、长寿命、低污染、可降解的新型绿色切削液，最大限度地减少切削液的用量和废液的排放，增加切削液循环使用的次数，并对其实施无害化处理，从而达到绿色环保要求的切削加工方式。目前绿色湿式切削的研究主要集中在以下几个方面：

　　4.1高性能、长寿命、低污染切削液的开发

　　目前发达国家已普遍使用微乳化液，并正在大力研究环保型切削液。美国Mobil化学公司研制出一种名叫MobilmentAquaRho的乳化液，其中添加了含磷、氮和硼的合成物，该乳化液的使用寿命达45个月以上。

　　在我国，水基切削液的使用范围越来越广，且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡，矿物油逐渐被生物降解性好的植物油和合成酯所代替。离子型切削液是一种新型的水溶性切削液，其母液是由阴离子型、非离子型表面活性剂和无机盐配制而成，具有良好的降温冷却效果。刘镇昌等人研制了一种低毒、低污染的低温(即低凝点)切削液。该切削液具有良好的低温流动性、极强的冷却性能和较好的润滑性能，并能有效抑制细菌繁殖，大大延长切削液的使用寿命，从而可减少切削废液的排放量，有利用环境保护，具有较好的社会效益。上海海营化工工贸实业公司开发了一种高科技绿色环保冷却液——MCT润滑冷却液，它具有良好的润滑、冷却性能和较好的防锈、防腐蚀性能，且无毒、无刺激性、无污染。

　　4.2“最小润滑”技术的研究

　　最少量润滑(MQL)技术是指在切削中，切削工作处在最佳状态下(即不缩短刀具使用寿命，不降低已加工表面质量)，切削液的使用量达到最少。

　　美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液的适当用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下，使切削液用量最少、与切削液有关的费用也降至最低。他们在福特汽车公司所做的试验中，对切削液的浓度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了测试与研究，并对工件表面粗糙度、积屑瘤和切削力等作了分析，通过试验得出了最适当的切削液用量。美国Thyssen制造公司对“最小润滑”加工技术进行了研究，使切削液流或气雾通过刀具作用于加工区域，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润滑技术钻削多种复合板。在钻削铝一钛多层复合板时，钻削钛板切屑的摩擦磨损作用，会导致铝板孔呈喇叭形，孔径波动幅度和平均孔径值增大并可能超差。试验采用了最少量润滑技术，使用涂层刀具并采用退刀排屑和扩孔方式加工，减小刃带宽度，增大进给角和使用阶梯轴，保证了孔的加工质量。

　　4.3冷却液净化处理技术的研究

　　一般情况下，冷却液是循环使用的，对其循环使用之前要进行净化处理，其中包括过滤、杀菌等环节。郭成等人做了用硅藻土深层过滤法过滤CBN砂轮超高速磨削条件下的磨削液的试验，结果表明，硅藻土过滤法的精度和效率较高，适合对胶状及粘性物料的过滤。西安工学院科研处开发了一套不排放冷却液的净化装置，该装置包括滚筒内刮渣磁分离机和电子臭氧灭菌器，两者联用可实现冷却液的零排放，从而消除了机械加工中冷却液排放而带来的环境污染，并且可节约切削液。

　　5.结论

　　干式切削技术现已成熟应用于有色金属及其合金和铸铁的加工中，但在钢材尤其是高强度钢的干切削应用方面仍存在问题，主要表现为刀具磨损严重，对刀具的材料和结构要求较高，成本较大。同时，在于切削中还普遍存在粉尘和切屑处理比较困难、机床易生锈等问题。

　　目前，低温切削仅用于钛合金、高锰钢、淬硬钢等一些难加工材料的加工中。相对于传统的切削方法，低温切削的成本较高，因此降低成本成为低温切削推广应用的前提。同时，机床的防锈也是应考虑的问题。

　　绿色湿式切削是目前比较可行的加工方法。新型环保切削液I生能的研制、切削液的合理使用及废液的净化处理成为有待解决的问题。

　　2l世纪呼唤绿色制造，清洁生产需要绿色加工。绿色切削作为一项新的课题，正得到越来越广泛的重视。虽然干式切削、低温切削、绿色湿式切削等技术还有很多问题需要解决，但与传统的加工方法相比，它们的优越性正逐渐体现出来，绿色切削将是未来绿色制造业的重要组成部分。