綠色熱熔鉆孔、綠色制造技術(shù)成為國際上的研究熱點(diǎn)

在金屬切削加工過程中，通常都要使用切削液。切削液的大量使用給環(huán)境和人體健康帶來了很大危害，迫使人們不斷研究開發(fā)新技術(shù)以改變現(xiàn)狀。因此，近年來綠色制造技術(shù)成為國際上的研究熱點(diǎn)。
      綠色熱熔鉆切削技術(shù)是綠色制造的一個(gè)組成部分，它是指對生態(tài)大環(huán)境和加工現(xiàn)場小環(huán)境均無毒副作用（或副作用很小），在加工過程中產(chǎn)生的少量“三廢”（廢氣、廢液和廢渣）在鏈條末端可回收或自然降解，達(dá)到無公害的環(huán)保要求，對人的健康和環(huán)境沒有危害的切削技術(shù)。
      對于綠色切削加工，國際上相應(yīng)地制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。1996年4月，國際機(jī)械學(xué)會(huì)制定了關(guān)于清潔加工的ISO14000國際標(biāo)準(zhǔn)。德國、美國、加拿大和日本等國也相繼制定了更加嚴(yán)格的工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步限制了熱熔鉆切削液的使用。作為有毒廢料的切削液以及帶有切削液的切屑的排放和處理大大增加了回收處理成本，與切削液相關(guān)的費(fèi)用約占加工成本的17%。 
      無公害、清潔化、低能耗的綠色制造是21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展方向。因此，研究開發(fā)新的綠色切削技術(shù)，減少切削液給環(huán)境帶來的污染，尋求綠色環(huán)保的冷卻潤滑技術(shù)，是綠色切削技術(shù)推廣應(yīng)用的重要課題。綠色切削技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，必將推動(dòng)機(jī)械工業(yè)的持續(xù)、健康發(fā)展。

        干式切削
        干式切削是指在切削加工過程中不使用任何切削液，完全消除了切削液的負(fù)面影響，是一種符合生態(tài)要求的綠色切削加工方式。它的優(yōu)點(diǎn)主要有：對大氣和水環(huán)境無污染；切屑上無殘液，降低了清潔處理成本；對人的健康無害且不會(huì)損傷皮膚或造成過敏。干式切削技術(shù)目前主要應(yīng)用于鑄鐵件的加工，在其它方面的推廣應(yīng)用正在進(jìn)一步研究開發(fā)。

        干式切削的實(shí)施需要滿足一定的條件，主要包括：
        （1）要求機(jī)床具有很好的熱穩(wěn)定性和很高的剛度，否則難以保證加工精度。
        （2）對刀具提出了新的要求。主要包括刀具材料的選擇和刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)。由于干式切削不使用切削液，因此切削溫度很高。只有具有良好導(dǎo)熱性、耐高溫和高硬度的刀具材料才能滿足加工要求，目前在干式切削中應(yīng)用較多的刀具材料有CBN和PCD等。刀具涂層技術(shù)（CVD和PVD涂層技術(shù)、納米涂層技術(shù)等）的應(yīng)用可以延長刀具壽命，較好滿足干式切削的要求。優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)，可以提高加工精度和延長刀具使用壽命，也是推動(dòng)干式切削技術(shù)發(fā)展的重要手段之一。

        目前，干式熱熔鉆孔切削技術(shù)還存在許多不足和限制其推廣應(yīng)用的技術(shù)難題。由于失去了切削液的潤滑、冷卻、輔助排屑等作用，刀具在加工中承受的負(fù)荷增大，切削溫度升高，刀—屑界面處于完全的二相固體接觸狀態(tài)，刀具磨損過程異常復(fù)雜，刀具與工件均易發(fā)生熱變形，導(dǎo)致刀具使用壽命縮短，加工表面質(zhì)量降低。此外，對于機(jī)床本身而言，由于不能保持熱平衡，機(jī)床的床身、立柱等也會(huì)因溫度升高而發(fā)生不容忽視的變形。
        干式切削技術(shù)的發(fā)展主要取決于機(jī)床和刀具性能的提高和改進(jìn)，即：
        （1）提高機(jī)床性能。一方面提高機(jī)床的熱穩(wěn)定性和抗熱變形能力；另一方面通過提高機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速，發(fā)展高速（超高速）干式切削技術(shù)，以大幅度提高生產(chǎn)效率，減小切削力，并獲得良好的表面加工質(zhì)量。
        （2）開發(fā)新的刀具材料和涂層技術(shù)。通過提高刀具材料的導(dǎo)熱性、耐熱性、自潤滑性和耐磨性，延長刀具使用壽命，保證干式切削的加工精度。

        液氮冷卻切削 
        液氮冷卻切削是利用液氮特性，在切削區(qū)形成局部低溫（或超低溫），從而改變工件材料的物理力學(xué)性能使其有利于加工的先進(jìn)切削技術(shù)。美國懷特州立大學(xué)的S Y Hong博士對液氮冷卻車削加工的研究表明，硬質(zhì)合金刀具材料在液氮冷卻切削條件下能夠保持良好的切削性能。林肯大學(xué)的Z Y Wang車削氮化硅陶瓷的試驗(yàn)表明，在液氮冷卻條件下，刀具磨損可減小約4倍，工件表面粗糙度值可減小6倍多。液氮冷卻切削對于鈦合金、低合金鋼、軟鋼及一些高塑（韌）性復(fù)合材料等難加工材料的加工非常有利。
        目前，液氮冷卻切削技術(shù)主要存在以下需要解決的問題：
        （1）液氮的存儲、運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用帶來了附加成本；
        （2）液氮在切削加工中的潤滑性不夠；
        （3）液氮使用的安全性需要特別加以注意；
        （4）在超低溫下切削出來的工件表面具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，暴露在空氣中會(huì)很快生銹，因此必須解決工件防銹問題；
        （5）尚需對不同工件材料的低溫切削性能以及刀具的切削特性等作進(jìn)一步深入研究。

        水蒸汽冷卻切削
        水蒸汽冷卻切削是將過熱水蒸汽噴射到切削區(qū)以達(dá)到冷卻潤滑的一種切削方法。它的切削系統(tǒng)由水蒸汽發(fā)生裝置、水蒸汽傳輸與控制系統(tǒng)和機(jī)床系統(tǒng)組成。前蘇聯(lián)學(xué)者Podgorkv V V和Godelviskiva在上世紀(jì)90年代提出了這種切削加工方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也對此做過初步研究，并取得了一定成果。研究表明，水蒸汽冷卻切削可以減小切削力和工件表面粗糙度值，明顯降低切削溫度，生成的切屑更規(guī)則合理，潤滑性有所提高。水蒸氣價(jià)格低廉又無污染，是一種很好的綠色潤滑劑。目前，該技術(shù)仍處于研究階段，主要存在以下問題：

        （1）水蒸汽發(fā)生裝置能耗較大，尚須進(jìn)一步研究能耗低、保溫性好、結(jié)構(gòu)簡單合理的水蒸汽發(fā)生裝置。
        （2）水蒸汽的潤滑機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究，切削過程的潤滑模型尚不明確。
        （3）尚需對不同的工件材料進(jìn)行大量切削性能試驗(yàn)和研究，選擇合理的加工參數(shù)及確定最優(yōu)噴射角度和流量等。

        氣體射流冷卻切削

        氣體射流冷卻切削是以一定壓力的射流氣體沖刷加工區(qū)以獲得冷卻效果的切削加工方法。日本學(xué)者對這種加工方法所做的研究工作較多。我國華東船舶工業(yè)學(xué)院也做了這方面的研究工作，并取得了較好效果。研究表明，氣體射流冷卻切削在冷卻效果、工件加工質(zhì)量和刀具使用壽命等方面均有益處。目前國內(nèi)對該技術(shù)的研究還處于起步階段，尚須開展以下研究工作：

        （1）氣體射流冷卻切削參數(shù)（包括氣體壓力、溫度、氣流速度、噴口直徑及噴射方向等）的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        （2）氣體射流冷卻切削機(jī)理的分析研究。

        （3）尚需對不同工件材料的氣體射流冷卻切削性能進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。

        低溫風(fēng)冷切削
        低溫風(fēng)冷切削是在加工過程中用－10℃～－100℃的冷風(fēng)沖刷加工區(qū)，從而降低刀具和工件溫度的一種切削技術(shù)。它的切削系統(tǒng)主要由冷風(fēng)發(fā)生裝置和切削加工系統(tǒng)組成。日本對此項(xiàng)技術(shù)的研究較早，開發(fā)水平較高。1996年橫川和彥教授就開始對低溫風(fēng)冷切削進(jìn)行了較全面的研究。國內(nèi)的重慶大學(xué)也進(jìn)行過此類研究，并取得了一定成果。研究表明，低溫風(fēng)冷切削可顯著降低切削區(qū)溫度，提高刀具耐磨性，延長刀具使用壽命，改善加工表面質(zhì)量，且對環(huán)境完全無污染。
      對于該技術(shù)的研究還存在一些問題。首先，低溫冷風(fēng)切削對于不同的被加工材料有著不同的影響，而國內(nèi)對這方面的研究工作開展較少，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，難以提供科學(xué)、合理的切削參數(shù)。其次，該方法的冷卻潤滑系統(tǒng)比較復(fù)雜，不利于推廣應(yīng)用。第三，該方法只有冷卻功能而無潤滑功能（如果在冷風(fēng)中添加微量切削油，可以解決潤滑性問題，但對環(huán)境有一定影響，屬于準(zhǔn)綠色切削）。此外，使用時(shí)發(fā)出的噪聲較大。最后，對風(fēng)冷切削技術(shù)缺乏系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究，對一系列技術(shù)參數(shù)沒有量化和優(yōu)化。對不同條件下不同材料的切削性能有待進(jìn)一步深入研究。

    低溫風(fēng)冷切削技術(shù)有一定的應(yīng)用前景，但對以下課題須作進(jìn)一步研究開發(fā)：

        （1）開發(fā)低耗能、高效率、調(diào)節(jié)范圍大和無污染的低溫風(fēng)冷裝置。
        （2）開展系統(tǒng)性的研究。對不同條件下不同材料的低溫切削性能進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究，整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為下一步研究作準(zhǔn)備。
        （3）調(diào)整機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高與低溫風(fēng)冷系統(tǒng)的適配性，推動(dòng)低溫風(fēng)冷切削技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的小范圍應(yīng)用。
   
        最小量潤滑（MQL）切削
        最小量潤滑（Minimal Quantities of Lubricant, MQL）切削是指將壓縮空氣與極微量的潤滑液混合汽化后噴射到加工區(qū)進(jìn)行有效潤滑的一種切削加工方法。它可以大大減少切削液的用量（一般僅為0.03～1.2L/h），可有效減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，防止粘結(jié)，延長刀具壽命，提高加工表面質(zhì)量。目前，該技術(shù)主要用于鑄鐵、鋼和鋁合金等的鉆孔、鉸孔、攻絲、深孔鉆削、鋁合金端面銑削等。
        在加工過程中，潤滑油在空氣中形成的油氣霧對環(huán)境和人的健康有害。美國Cicinati大學(xué)和Techsolve Inc.公司的聯(lián)合研究表明：在Tongil TNV-80 CNC立式加工中心上分別以11ml/min和6.5L/min的用量對AISI/SAE 4340鋼件進(jìn)行銑削和鉆削時(shí)，在較低的切削速度和金屬切除率下，MQL造成的空氣中油霧微粒生成率在鉆削時(shí)是傳統(tǒng)注澆法的340~3300倍，在銑削時(shí)是其100～140倍。因此，采用MQL切削技術(shù)必須在機(jī)床上添加封閉、通風(fēng)和空氣清新設(shè)施，這必然帶來一定的附加成本。

        結(jié)合目前的研究開發(fā)現(xiàn)狀，提出如下MQL切削技術(shù)的研究方向：

        （1）對油霧微粒的生成機(jī)理進(jìn)行深入研究，并提出有效、實(shí)用的防護(hù)措施。通過技術(shù)措施將油霧微粒在大氣中的濃度降至最低，實(shí)現(xiàn)對人體和環(huán)境無害（或危害最低）的準(zhǔn)綠色切削。    
        （2）加強(qiáng)對MQL油霧發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)研究。目前大多數(shù)MQL裝置都是采用壓縮空氣作為油霧傳送載體，很難控制油霧微粒的大小和分布，因此傳送單元和油霧控制口的設(shè)計(jì)將是研究重點(diǎn)。   
         （3）因?yàn)榍邢鲄?shù)和切削速度都會(huì)對油霧微粒生成率造成影響，因此還需對切削參數(shù)對油霧微粒生成率的影響做大量研究。

        結(jié)語
    本文對綠色熱熔鉆頭切削技術(shù)領(lǐng)域一些常見的分支技術(shù)作了較系統(tǒng)的介紹和分析。其中，干式切削、液氮冷卻切削、水蒸汽冷卻切削、氣體射流冷卻切削及低溫風(fēng)冷切削等均屬于綠色切削技術(shù)；最小量潤滑（MQL）切削技術(shù)和在冷風(fēng)中加微量切削油的低溫冷風(fēng)切削技術(shù)則屬于準(zhǔn)綠色切削技術(shù)。綠色切削技術(shù)可以提高刀具使用壽命及加工質(zhì)量，且對環(huán)境無污染，對人體健康無害，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果，是金屬切削加工領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。目前，高速（超高速）干式切削技術(shù)和開發(fā)無污染的生態(tài)切削液是綠色切削技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。在21世紀(jì)制造業(yè)的發(fā)展過程中，綠色切削技術(shù)必將得到更快的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。