技术

    摘要：分析了传统切削方式及其对外部系统的影响，研究了干切削的关键技术，包括刀具技术、机床技术、准干切削技术、绿色切削液技术及其应用，提出了实现绿色切削之措施。 
    制造业是国民经济和社会发展的物质基础，是推动国家技术进步的主要力量，是创造社会财富的支柱产业，是一个国家综合国力的重要体现。现代制造业在给人类带来空前物质文明的同时，在自然资源开采和加工过程中，在工业品的使用过程中，产生的废气、废渣、废液等废弃物任意抛向大自然，也造成了环境的严重污染，导致了以资源枯竭和环境恶化为特征的生态危机。据统计，造成环境污染的排放物的70%以上来自制造业，它们每年约产生55亿t无害废物和7亿t有害废物。可持续发展问题已经成为21世纪人类社会面对的中心问题之一。实现制造业可持续发展的先进制造模式———绿色制造是制造业未来的发展方向。因此，绿色切削作为绿色制造的关键技术之一，对其深入研究具有重要意义。本文作者着重研究了绿色切削的关键技术及应用。 
1 传统切削方式及其对外部系统的影响 
    传统的金属切削加工，尤其是在自动化程度较高的数控机床、加工中心及自动化生产线上零件的加工，是以大量使用切削液的湿切削方式进行的，切削液的应用非常广泛。切削液具有冷却、润滑和辅助排屑等功能，起着延长刀具使用寿命、提高工件表面质量的重要作用。目前使用的切削液主要分为不含水的油基切削液和主要成分为水的水基切削液两大类，油基切削液润滑性能好、冷却性能差，水基切削液则相反。 
    湿切削加工中切削液的大量使用，对外部系统造成的负面影响也日益凸显出来，主要包括以下几个方面。
1.1 污染生态环境 
    切削液是机械加工工业对生态环境造成污染的根源，严重影响着绿色制造、循环经济和可持续发展战略的实施。 
    切削液对环境的危害主要是其废液对水资源的污染。矿物油是切削液的主要成分之一，其生物降解性差，能长期残留在水和土壤中。水中含油量大于10-5就会使海洋植物死亡，含油量达到3×10-4可使淡水鱼死亡。此外，切削液中还含有S、P、Cl等对环境有害的添加剂。未经处理的切削液排入江河湖海，会对生态环境造成严重破坏；即使排放的废液经过严格的矿物油回收处理，其在水中的长期积累也不容忽视。切削液还会或多或少的残留在切屑上，大量堆积的切屑对土壤造成污染；切屑回收利用时，切削液的有毒有害化学成分还会污染环境。
1.2 危害人体健康 
    使用切削液时产生的油雾以及切削液散发的刺激性气味会对操作工人的呼吸系统产生危害。水基切削液中为改善切削性能而加入的添加剂如亚硝酸钠防锈剂、苯酚类杀菌剂、甲醛类化合物等均具有毒性，长期接触会致癌。矿物油、表面活性剂的脱脂作用均会使皮肤干燥、裂口、红肿从而诱发多种皮肤病。美国通用汽车公司的专门调查研究表明，直接接触切削液的操作工人比不直接接触切削液的装配工人和从未在机床上工作的工人患呼吸系统疾病的多。
1.3 提高制造成本 
    切削液的大量使用增加了生产成本，不利于企业提高核心竞争力。日本精密工程协会的研究表明：使用切削液一项的费用约占零件制造成本的16%，磨削液的费用更高达制造成本的30%左右，其中也包括因环保要求对切削液及粘带切削液的切屑进行的无害化处理费用；而刀具费用才约占制造成本的4%。
2 绿色切削是制造业可持续发展的必然选择 
    近10年来，人们一直在探索消除传统湿切削方式对外部系统负面影响的方法，并日益认识到干切削(Dry Cutting) 是降低制造成本、实施绿色制造、发展生态工业和实现制造业可持续发展的重要途径。
2.1 干切削技术及其特点 
    干切削就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法，是对传统切削方式的一种技术创新。它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺，它消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响，具有以下特点： 
    1不污染生态环境，不对操作工人的健康构成危害。 
    2形成的切屑洁净、无污染，便于回收利用。 
    3节省了与切削液有关的传输、回收和过滤等费用，简化了生产系统，降低了生产成本。
2.2 绿色切削是制造业可持续发展的必然选择 
    传统的环境治理方法是末端治理，全球生态日益恶化的现实证明，这种治理方法不能从根本上实现对环境的保护。要想解决该问题，必须从源头上进行治理。具体到制造业，就是要求考虑产品整个生命周期对环境的影响，最大限度地利用原材料、能源，减少有害废弃物和固体、液体、气体的排放物，选用绿色材料，实施绿色设计、绿色工艺、绿色包装、绿色使用和绿色回收。由此可见，绿色切削是制造业可持续发展的重要环节。 
    1996年，国际标准化组织正式颁布了ISO 14000环境管理系列标准。为实施ISO 14000环境管理系列标准，在产品生命周期的每一个阶段，均应实行绿色制造。因此，绿色切削也是实施ISO 14000环境管理系列标准之要求。
3 绿色切削的关键技术研究 
    干切削较之湿切削，由于缺少了切削液的冷却、润滑和辅助排屑等功能，刀具、工件和切屑之间的摩擦加剧，刀具磨损加剧，切削力、切削热急剧增加，切削区温度急升；同时，加工精度和工件表面质量变差。但是，通过改进刀具技术、机床性能和切削工艺，可以消除干切削的不利影响。据统计，在欧洲工业界，目前有10%～15%的加工已经采用了干切削工艺。
3.1 干切削的刀具技术 
    干切削工艺由于不使用切削液，刀具能否承受巨大的切削热是实现干切削的关键，一般采取如下措施。 
    1采用新型的绿色刀具材料 
    干切削的工况条件要求刀具材料具有优良的热性能，具有高的红硬性和热韧性，具有良好的抗粘结性、耐热冲击性和耐磨性。陶瓷刀具( Al2O3，Si3N4)和金属陶瓷(Cermet)具有很好的红硬性，比较适于一般目的的干切削，但这类材料热韧性不好，不适于进行断续切削，即适于进行干切削而不适于进行干铣削。立方氮化硼(CBN) 材料的硬度仅次于金刚石，高达3200～4000HV，具有很高的耐磨性、热稳定性和化学稳定性，适于黑色金属材料及合金如淬火钢、马氏体铸铁、硬化轴承钢、镍铬合金的干切削。聚晶金刚石(PCD) 材料的硬度约为CBN的2倍，其导热性好、热膨胀系数小，适于铜铝合金、非金属材料和复合材料的高速干切削，是实现超精密切削的重要刀具。超细晶粒硬质合金具有良好的韧性和耐热性，也适于干切削。此外，在Al2O3基体中添加20%～30%SiC晶须形成的晶须增韧陶瓷，增强相SiC晶须能阻挡或改变裂纹发展方向，使得刀具的韧性大幅提高，是一种极具发展潜力的干切削刀具材料。 
    2采用绿色刀具涂层技术 
    干切削刀具涂层技术是在刀具基体上涂上一层或多层特殊性能的材料，从而改善和提高刀具的整体性能。对刀具表面进行涂层处理，可以减小刀具、工件和切屑之间的摩擦因数，降低切削力，提高刀具使用寿命，改善工件表面质量。涂层有类似于切削液的功能，把刀具与切削热隔离开来，从而能够长时间保持刀刃的坚硬和锋利。在进行高速干切削时，高温对化学反应有很大的催化作用，因此，涂层还能够保护刀具材料不发生化学反应。 
    目前，用于干切削刀具的涂层主要有两类：一类是“硬” 涂层，如TiC、TiN和Al2O3等涂层，其优点是硬度高、耐磨性好。其中，TiC涂层刀具具有很强的抗后刀面磨损能力，TiN涂层刀具则具有理想的抗月牙洼功能。一类是“ 软” 涂层，如MoS2、WS等涂层，这类涂层刀具也称为“ 自润滑刀具”，刀具、工件和切屑之间的摩擦因数很低，只有约0.01，能降低切削力和切削温度。如德国Guhring公司研发的“MOVIC”软涂层技术就是在刀具表面涂覆一层MoS2，从而提高刀具的耐用度。
刀具涂层还可采用软/硬组合涂层，即先在刀具上涂覆“硬” 涂层如TiN，再在其上涂“ 软” 涂层如MoS2，形成多涂层刀具，使得涂层刀具既具有高的硬度和耐磨性，又具有摩擦因数小、切屑易流出之特点。目前，已有多达13层的涂层刀具。
3优化刀具几何参数 
    为满足干切削对断屑和排屑的技术要求，必须优化刀具几何参数。第一，减小刀具与工件表面之间的接触面积，如钻头应减小倒锥和螺旋角，以便顺利排屑。第二，考虑刀具表面的最大润滑性，防止积屑瘤的产生。 
    在封闭空间进行干切削如干钻削、干铰削时，应加大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。 
    干切削还可采用一些特殊刀具如热管刀具和自冷却刀具来降低刀具温度。
3.2 干切削机床的结构设计 
    研究表明，切削液的润滑作用只有10%，其主要作用是散热和排屑。因此，干切削机床的结构设计应考虑两个主要问题：一是切削热的迅速散发，一是切屑的快速排出。机床床身采用热稳定性好的结构和材料，可大大降低切削热的不利影响；采取适当的隔热措施如用绝热材料制造排屑槽等，可以减少排屑过程中切削热的传递。下面是几种成功应用于干切削的快速排屑设计： 
    1借助重力排屑。传统的钻削都是从上往下进行，通过改进机床布局，实现从下往上钻削，利用重力排屑而无需一定压力的切削液来辅助排屑。 
    2利用虹吸现象，干燥的空气将切屑从空中吸出，也无需切削液。 
    3利用真空或喷气系统也可改善排屑条件。
3.3 准干切削技术 
    因为干切削加工对刀具、工件和机床有严格的技术要求，所以应用范围较窄。在无法实现完全干切削的情况下，可采用最小量润滑技术(Minimal Quantity Lubrication，简称MQL)，也称准干切削技术(Near Dry Cutting)，即切削工作状态最佳时，切削液的用量最小。该方法是将一定压力(0.3～1MPa) 压缩空气与微量的润滑液(50～125mL/h，而正常射流润滑的切削液消耗量达6L/min) 混合雾化后形成油雾，然后高速喷射到切削区，起到冷却和润滑作用。MQL技术主要分为气雾外部润滑和内部润滑两种方式。目前，MQL技术主要用于铸铁、钢和铝合金的钻削、铰削和攻丝加工。
3.4 绿色切削液 
    干切削具有显著的优点但应用范围有限，准干切削技术还需使用少量切削液，在很长一段时期内，大多数切削加工还离不开切削液，无法实现完全的绿色切削。因此，研发和推广绿色切削液仍然具有重要意义。绿色切削液是指对人和环境友好的切削液，其残留废油和添加剂在自然界可完全降解。近期应着力开发低毒、低污染的绿色切削液，远期则应追求无毒、无污染的绿色切削液。目前采用的绿色切削液技术有： 
    1用可降解性好的植物油和酯类油代替矿物油。植物油是可再生资源，在自然界可完全降解，对人和环境无害； 酯类油生物降解率可达90%～100%。 
    2用低毒、低污染乃至无毒、无污染的可生物降解的绿色添加剂代替有害添加剂。 
    3开发水基切削液代替油基切削液。 
    4 绿色切削的应用 
    干切削技术发端于欧洲，目前，在欧美已获得广泛应用，这与欧美发达的制造业和越来越强烈的环保理念有关。我国干切削技术的研究业已起步，广东工业大学、清华大学、郑州磨料磨具磨削研究所及成都工具研究所等单位对超硬刀具材料及刀具涂层技术进行了系统研究。干切削技术在以下几个方面已经获得应用。
4.1 铸铁的干切削 
    铸铁加工通常都不用切削液，总是进行干切削加工以提高其生产效率。例如用陶瓷或CBN刀具进行高速干切削加工，产生的热量很快积聚在刀具前端，并将切削热推向工件，使切削区材料达到红热状态，铸铁件屈服强度下降，切削速度和进给速度提高，大大提高了铸铁材料的切削效率，这就是所谓的“ 红月牙”(Red Crescent)铸铁干切削技术，该技术在美国已获得应用。在通常情况下，铸铁的金属切除率(车削)为16cm3/min，而采用“红月牙” 干切削技术可提高到49cm3/min，切削速度可达914～1219m/min，进给速度为1270～5080mm/min。
4.2 铝合金的干切削 
    铝合金因具有良好的耐蚀性、较高的比强度、导电性及导热性好等优点，在汽车工业和航空航天工业中已经大量应用。
铝合金传热系数高、热膨胀系数大，切削加工时会吸收大量切削热，又因其硬度和熔点都比较低，故在切削过程中，刀具和切屑容易发生粘连，形成积屑瘤，这成为铝合金干切削时必须解决的一个技术难题。解决此一难题的最好办法是采用高速干切削技术。在高速切削时，95%～98%的切削热传给了切屑，而切屑在与刀具前刀面接触的界面上会被局部熔化，故切屑很容易和工件分离，减小了切削力，不易形成积屑瘤。
5 结束语 
    切削技术是机械加工工业的关键技术，它的发展水平决定着一个国家机械制造业的面貌。干切削较之湿切削是一种创新的绿色制造工艺方法，有效解决了切削液带来的不利影响，对于降低加工成本，从污染源头上保护生态环境，实现制造业可持续发展具有重要意义。
干切削技术是一项系统工程，它涉及到刀具、机床、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新，不是单靠不使用切削液就能实现的。比如刀具材料及涂层技术的选择是与工件材料密切相关的，铝合金的干切削技术是超高速加工技术和干切削技术结合的结果。干切削技术的发展正方兴未艾，随着各种超硬、耐高温刀具材料及涂层技术的迅猛发展，必定会促进干切削技术的深入研究和推广应用。