摘要：分析了傳統(tǒng)切削方式及其對外部系統(tǒng)的影響，研究了干切削的關(guān)鍵技術(shù)，包括刀具技術(shù)、機床技術(shù)、準(zhǔn)干切削技術(shù)、綠色切削液技術(shù)及其應(yīng)用，提出了實現(xiàn)綠色切削之措施。
　　制造業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是推動國家技術(shù)進步的主要力量，是創(chuàng)造社會財富的支柱產(chǎn)業(yè)，是一個國家綜合國力的重要體現(xiàn)。現(xiàn)代制造業(yè)在給人類帶來空前物質(zhì)文明的同時，在自然資源開采和加工過程中，在工業(yè)品的使用過程中，產(chǎn)生的廢氣、廢渣、廢液等廢棄物任意拋向大自然，也造成了環(huán)境的嚴(yán)重污染，導(dǎo)致了以資源枯竭和環(huán)境惡化為特征的生態(tài)危機。據(jù)統(tǒng)計，造成環(huán)境污染的排放物的70%以上來自制造業(yè)，它們每年約產(chǎn)生55億t無害廢物和7億t 有害廢物?？沙掷m(xù)發(fā)展問題已經(jīng)成為21世紀(jì)人類社會面對的中心問題之一。實現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的先進制造模式———綠色制造是制造業(yè)未來的發(fā)展方向。因此，綠色切削作為綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，對其深入研究具有重要意義。本文作者著重研究了綠色切削的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用。
　　1 傳統(tǒng)切削方式及其對外部系統(tǒng)的影響
　　傳統(tǒng)的金屬切削加工，尤其是在自動化程度較高的數(shù)控機床、加工中心及自動化生產(chǎn)線上零件的加工，是以大量使用切削液的濕切削方式進行的，切削液的應(yīng)用非常廣泛。切削液具有冷卻、潤滑和輔助排屑等功能，起著延長刀具使用壽命、提高工件表面質(zhì)量的重要作用。目前使用的切削液主要分為不含水的油基切削液和主要成分為水的水基切削液兩大類，油基切削液潤滑性能好、冷卻性能差，水基切削液則相反。
　　濕切削加工中切削液的大量使用，對外部系統(tǒng)造成的負(fù)面影響也日益凸顯出來，主要包括以下幾個方面。
　　1.1 污染生態(tài)環(huán)境
　　切削液是機械加工工業(yè)對生態(tài)環(huán)境造成污染的根源，嚴(yán)重影響著綠色制造、循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。
　　切削液對環(huán)境的危害主要是其廢液對水資源的污染。礦物油是切削液的主要成分之一，其生物降解性差，能長期殘留在水和土壤中。水中含油量大于 10-5就會使海洋植物死亡，含油量達到3×10-4可使淡水魚死亡。此外，切削液中還含有S、P、Cl等對環(huán)境有害的添加劑。未經(jīng)處理的切削液排入江河湖海，會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞；即使排放的廢液經(jīng)過嚴(yán)格的礦物油回收處理，其在水中的長期積累也不容忽視。切削液還會或多或少的殘留在切屑上，大量堆積的切屑對土壤造成污染；切屑回收利用時，切削液的有毒有害化學(xué)成分還會污染環(huán)境。
　　1.2 危害人體健康
　　使用切削液時產(chǎn)生的油霧以及切削液散發(fā)的刺激性氣味會對操作工人的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害。水基切削液中為改善切削性能而加入的添加劑如亞硝酸鈉防銹劑、苯酚類殺菌劑、甲醛類化合物等均具有毒性，長期接觸會致癌。礦物油、表面活性劑的脫脂作用均會使皮膚干燥、裂口、紅腫從而誘發(fā)多種皮膚病。美國通用汽車公司的專門調(diào)查研究表明，直接接觸切削液的操作工人比不直接接觸切削液的裝配工人和從未在機床上工作的工人患呼吸系統(tǒng)疾病的多。
　　1.3 提高制造成本
　　切削液的大量使用增加了生產(chǎn)成本，不利于企業(yè)提高核心競爭力。日本精密工程協(xié)會的研究表明：使用切削液一項的費用約占零件制造成本的16%，磨削液的費用更高達制造成本的30%左右，其中也包括因環(huán)保要求對切削液及粘帶切削液的切屑進行的無害化處理費用；而刀具費用才約占制造成本的4%。
　　2 綠色切削是制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇
　　近10年來，人們一直在探索消除傳統(tǒng)濕切削方式對外部系統(tǒng)負(fù)面影響的方法，并日益認(rèn)識到干切削(Dry Cutting) 是降低制造成本、實施綠色制造、發(fā)展生態(tài)工業(yè)和實現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。
　　2.1 干切削技術(shù)及其特點
　　干切削就是在切削加工過程中不使用任何切削液的工藝方法，是對傳統(tǒng)切削方式的一種技術(shù)創(chuàng)新。它相對于濕切削而言，是一種從源頭上控制污染的綠色切削和清潔制造工藝，它消除了切削液的使用對外部系統(tǒng)造成的負(fù)面影響，具有以下特點：
　　1. 不污染生態(tài)環(huán)境，不對操作工人的健康構(gòu)成危害。
　　2. 形成的切屑潔凈、無污染，便于回收利用。
　　3. 節(jié)省了與切削液有關(guān)的傳輸、回收和過濾等費用，簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)成本。
　　2.2 綠色切削是制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇
　　傳統(tǒng)的環(huán)境治理方法是末端治理，全球生態(tài)日益惡化的現(xiàn)實證明，這種治理方法不能從根本上實現(xiàn)對環(huán)境的保護。要想解決該問題，必須從源頭上進行治理。具體到制造業(yè)，就是要求考慮產(chǎn)品整個生命周期對環(huán)境的影響，最大限度地利用原材料、能源，減少有害廢棄物和固體、液體、氣體的排放物，選用綠色材料，實施綠色設(shè)計、綠色工藝、綠色包裝、綠色使用和綠色回收。由此可見，綠色切削是制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。
　　1996年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織正式頒布了ISO 14000環(huán)境管理系列標(biāo)準(zhǔn)。為實施ISO 14000環(huán)境管理系列標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)品生命周期的每一個階段，均應(yīng)實行綠色制造。因此，綠色切削也是實施ISO 14000環(huán)境管理系列標(biāo)準(zhǔn)之要求。
　　3 綠色切削的關(guān)鍵技術(shù)研究
　　干切削較之濕切削，由于缺少了切削液的冷卻、潤滑和輔助排屑等功能，刀具、工件和切屑之間的摩擦加劇，刀具磨損加劇，切削力、切削熱急劇增加，切削區(qū)溫度急升；同時，加工精度和工件表面質(zhì)量變差。但是，通過改進刀具技術(shù)、機床性能和切削工藝，可以消除干切削的不利影響。據(jù)統(tǒng)計，在歐洲工業(yè)界，目前有 10%～15%的加工已經(jīng)采用了干切削工藝。
　　3.1 干切削的刀具技術(shù)
　　干切削工藝由于不使用切削液，刀具能否承受巨大的切削熱是實現(xiàn)干切削的關(guān)鍵，一般采取如下措施。
　　1. 采用新型的綠色刀具材料
　　干切削的工況條件要求刀具材料具有優(yōu)良的熱性能，具有高的紅硬性和熱韌性，具有良好的抗粘結(jié)性、耐熱沖擊性和耐磨性。陶瓷刀具( Al2O3，Si3N4) 和金屬陶瓷(Cermet)具有很好的紅硬性，比較適于一般目的的干切削，但這類材料熱韌性不好，不適于進行斷續(xù)切削，即適于進行干切削而不適于進行干銑削。立方氮化硼(CBN) 材料的硬度僅次于金剛石，高達3200～4000HV，具有很高的耐磨性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，適于黑色金屬材料及合金如淬火鋼、馬氏體鑄鐵、硬化軸承鋼、鎳鉻合金的干切削。聚晶金剛石(PCD) 材料的硬度約為CBN的2倍，其導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小，適于銅鋁合金、非金屬材料和復(fù)合材料的高速干切削，是實現(xiàn)超精密切削的重要刀具。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金具有良好的韌性和耐熱性，也適于干切削。此外，在Al2O3基體中添加20%～30%SiC晶須形成的晶須增韌陶瓷，增強相SiC晶須能阻擋或改變裂紋發(fā)展方向，使得刀具的韌性大幅提高，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母汕邢鞯毒卟牧稀?br /> 　　2. 采用綠色刀具涂層技術(shù)
　　干切削刀具涂層技術(shù)是在刀具基體上涂上一層或多層特殊性能的材料，從而改善和提高刀具的整體性能。對刀具表面進行涂層處理，可以減小刀具、工件和切屑之間的摩擦因數(shù)，降低切削力，提高刀具使用壽命，改善工件表面質(zhì)量。涂層有類似于切削液的功能，把刀具與切削熱隔離開來，從而能夠長時間保持刀刃的堅硬和鋒利。在進行高速干切削時，高溫對化學(xué)反應(yīng)有很大的催化作用，因此，涂層還能夠保護刀具材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
　　目前，用于干切削刀具的涂層主要有兩類：一類是“硬” 涂層，如TiC、TiN和Al2O3等涂層，其優(yōu)點是硬度高、耐磨性好。其中，TiC涂層刀具具有很強的抗后刀面磨損能力，TiN涂層刀具則具有理想的抗月牙洼功能。一類是“ 軟” 涂層，如MoS2、WS等涂層，這類涂層刀具也稱為“ 自潤滑刀具”，刀具、工件和切屑之間的摩擦因數(shù)很低，只有約0.01，能降低切削力和切削溫度。如德國Guhring公司研發(fā)的“MOVIC”軟涂層技術(shù)就是在刀具表面涂覆一層MoS2，從而提高刀具的耐用度。
　　刀具涂層還可采用軟/硬組合涂層，即先在刀具上涂覆“硬” 涂層如TiN，再在其上涂“ 軟” 涂層如MoS2，形成多涂層刀具，使得涂層刀具既具有高的硬度和耐磨性，又具有摩擦因數(shù)小、切屑易流出之特點。目前，已有多達13層的涂層刀具。
　　3. 優(yōu)化刀具幾何參數(shù)
　　為滿足干切削對斷屑和排屑的技術(shù)要求，必須優(yōu)化刀具幾何參數(shù)。第一，減小刀具與工件表面之間的接觸面積，如鉆頭應(yīng)減小倒錐和螺旋角，以便順利排屑。第二，考慮刀具表面的最大潤滑性，防止積屑瘤的產(chǎn)生。
　　在封閉空間進行干切削如干鉆削、干鉸削時，應(yīng)加大刀具的容屑槽空間和背錐的錐度。
　　干切削還可采用一些特殊刀具如熱管刀具和自冷卻刀具來降低刀具溫度。
　　3.2 干切削機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　研究表明，切削液的潤滑作用只有10%，其主要作用是散熱和排屑。因此，干切削機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮兩個主要問題：一是切削熱的迅速散發(fā)，一是切屑的快速排出。機床床身采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和材料，可大大降低切削熱的不利影響；采取適當(dāng)?shù)母魺岽胧┤缬媒^熱材料制造排屑槽等，可以減少排屑過程中切削熱的傳遞。下面是幾種成功應(yīng)用于干切削的快速排屑設(shè)計：
　　1. 借助重力排屑。傳統(tǒng)的鉆削都是從上往下進行，通過改進機床布局，實現(xiàn)從下往上鉆削，利用重力排屑而無需一定壓力的切削液來輔助排屑。
　　2. 利用虹吸現(xiàn)象，干燥的空氣將切屑從空中吸出，也無需切削液。
　　3. 利用真空或噴氣系統(tǒng)也可改善排屑條件。
　　3.3 準(zhǔn)干切削技術(shù)
　　因為干切削加工對刀具、工件和機床有嚴(yán)格的技術(shù)要求，所以應(yīng)用范圍較窄。在無法實現(xiàn)完全干切削的情況下，可采用最小量潤滑技術(shù) (Minimal Quantity Lubrication，簡稱MQL)，也稱準(zhǔn)干切削技術(shù)(Near Dry Cutting)，即切削工作狀態(tài)最佳時，切削液的用量最小。該方法是將一定壓力(0.3～1MPa) 壓縮空氣與微量的潤滑液(50～125mL/h，而正常射流潤滑的切削液消耗量達6L/min) 混合霧化后形成油霧，然后高速噴射到切削區(qū)，起到冷卻和潤滑作用。MQL技術(shù)主要分為氣霧外部潤滑和內(nèi)部潤滑兩種方式。目前，MQL技術(shù)主要用于鑄鐵、鋼和鋁合金的鉆削、鉸削和攻絲加工。
　　3.4 綠色切削液
　　干切削具有顯著的優(yōu)點但應(yīng)用范圍有限，準(zhǔn)干切削技術(shù)還需使用少量切削液，在很長一段時期內(nèi)，大多數(shù)切削加工還離不開切削液，無法實現(xiàn)完全的綠色切削。因此，研發(fā)和推廣綠色切削液仍然具有重要意義。綠色切削液是指對人和環(huán)境友好的切削液，其殘留廢油和添加劑在自然界可完全降解。近期應(yīng)著力開發(fā)低毒、低污染的綠色切削液，遠期則應(yīng)追求無毒、無污染的綠色切削液。目前采用的綠色切削液技術(shù)有：
　　1. 用可降解性好的植物油和酯類油代替礦物油。植物油是可再生資源，在自然界可完全降解，對人和環(huán)境無害； 酯類油生物降解率可達90%～100%。
　　2. 用低毒、低污染乃至無毒、無污染的可生物降解的綠色添加劑代替有害添加劑。
　　3. 開發(fā)水基切削液代替油基切削液。
　　4 綠色切削的應(yīng)用
　　干切削技術(shù)發(fā)端于歐洲，目前，在歐美已獲得廣泛應(yīng)用，這與歐美發(fā)達的制造業(yè)和越來越強烈的環(huán)保理念有關(guān)。我國干切削技術(shù)的研究業(yè)已起步，廣東工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、鄭州磨料磨具磨削研究所及成都工具研究所等單位對超硬刀具材料及刀具涂層技術(shù)進行了系統(tǒng)研究。干切削技術(shù)在以下幾個方面已經(jīng)獲得應(yīng)用。
　　4.1 鑄鐵的干切削
　　鑄鐵加工通常都不用切削液，總是進行干切削加工以提高其生產(chǎn)效率。例如用陶瓷或CBN刀具進行高速干切削加工，產(chǎn)生的熱量很快積聚在刀具前端，并將切削熱推向工件，使切削區(qū)材料達到紅熱狀態(tài)，鑄鐵件屈服強度下降，切削速度和進給速度提高，大大提高了鑄鐵材料的切削效率，這就是所謂的“ 紅月牙”(Red Crescent)鑄鐵干切削技術(shù)，該技術(shù)在美國已獲得應(yīng)用。在通常情況下，鑄鐵的金屬切除率(車削)為16cm3/min，而采用“紅月牙” 干切削技術(shù)可提高到49cm3/min，切削速度可達914～1219m/min，進給速度為1270～5080mm/min。
　　4.2 鋁合金的干切削
　　鋁合金因具有良好的耐蝕性、較高的比強度、導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性好等優(yōu)點，在汽車工業(yè)和航空航天工業(yè)中已經(jīng)大量應(yīng)用。
　　鋁合金傳熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)大，切削加工時會吸收大量切削熱，又因其硬度和熔點都比較低，故在切削過程中，刀具和切屑容易發(fā)生粘連，形成積屑瘤，這成為鋁合金干切削時必須解決的一個技術(shù)難題。解決此一難題的最好辦法是采用高速干切削技術(shù)。在高速切削時，95%～98%的切削熱傳給了切屑，而切屑在與刀具前刀面接觸的界面上會被局部熔化，故切屑很容易和工件分離，減小了切削力，不易形成積屑瘤。
　　5 結(jié)束語
　　切削技術(shù)是機械加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，它的發(fā)展水平?jīng)Q定著一個國家機械制造業(yè)的面貌。干切削較之濕切削是一種創(chuàng)新的綠色制造工藝方法，有效解決了切削液帶來的不利影響，對于降低加工成本，從污染源頭上保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
　　干切削技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，它涉及到刀具、機床、工藝和材料等諸多領(lǐng)域的技術(shù)配合和技術(shù)創(chuàng)新，不是單靠不使用切削液就能實現(xiàn)的。比如刀具材料及涂層技術(shù)的選擇是與工件材料密切相關(guān)的，鋁合金的干切削技術(shù)是超高速加工技術(shù)和干切削技術(shù)結(jié)合的結(jié)果。干切削技術(shù)的發(fā)展正方興未艾，隨著各種超硬、耐高溫刀具材料及涂層技術(shù)的迅猛發(fā)展，必定會促進干切削技術(shù)的深入研究和推廣應(yīng)用。