第九章绿色加工技术

南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院 052052系系

第九章绿色加工技术

第一节概述第二节绿色加工的基本理论第三节绿色加工的评价体系第四节绿色加工的应用技术 Δ


第一节概述

环境、资源、人口是当今社会面临的三大问题。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。


什么是绿色加工绿色加工是指在不牺牲产品的质量、成本、可靠性

、功能和能量利用率的前提下，充分利用资源，尽量减轻加工过程对环境产生有害影响的加工过程，其内涵是指在加工过程中实现优质、低耗、高效及清洁化。

绿色制造 GM － Green Manufacturing 环境意识制造 ECM － Environmentally Conscious Ma

nufacturing 面向环境的制造 MFE － Manufacturing For Environm

ent


为何需要绿色加工环境污染、人身健康、能源危机可持续发展的观点


概述绿色加工的内涵及目标制造业在创造了高度发达的物质文明的同时，也

造成了严重的环境问题。绿色制造涉及的问题领域包括三部分：一是制造问题，包括产品生命周期全过程；二是环境保护问题；三是资源优化利用问题。绿色制造就是这三部分的交叉和集成。

目标：优质、低耗、高效、清洁化

绿色制造的问题领域


概述绿色加工的分类根据绿色加工的追求目标：节约资源的加工技术节约能源的加工技术环保型加工技术根据采用的加工介质不同：自然绿色加工辅助绿色加工


绿色加工的研究内容节省资源的加工方法的研究（物质流方面）节省能源的加工方法的研究（能量流方面）少、无污染加工方法的研究（环保的角度）在实际加工中通过改进加工工艺、工具、环境来实

现


概述绿色加工的发展

绿色加工与绿色制造 1991 日本 “绿色行业计划” 1996 SME 《 Green Manufacturing 》 1998 SME 绿色制造的发展趋势绿色切削技术：干切削、少切削液的切削等绿色长成技术：激光快速成形等


绿色制造自提出以来受到了国内外各单位的高度重视，并展开了大量的研究。在国际上，特别是美国在这方面的研究已经比较深入。主要研究范围包括环境意识机床系统及其关键技术、废物流的评价、工艺规划方法以及低温加工、干切削等先进的绿色制造工艺技术等。部分研究结论已经被开发成软件原型系统。

2003 德国 20％采用干切技术总制造成本 1.6％德国干式加工方面的研究和应用处于国际领先地位


概述国内高校对绿色加工技术 \ 绿色制造的研究探索：

清华大学绿色工程技术列为优先发展

上海交通大学汽车可回收性绿色设计技术

合肥工业大学机械产品可回收设计理论和关键技术及指标评价体系

重庆大学国家自然科学基金和 863／ CIMS 的关于绿色制造的项目


华中理工大学、浙江大学、北京航空航天大学等高校也开展了绿色制造技术研究。国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，为我国发展绿色制造技术奠定了基础。

国内对铸造、压力加工、焊接、切削加工、特种加工、热处理、覆盖层、装配与包装等九个工艺大类中的若干典型工艺的资源环境特性进行了研究，并初步建立了绿色制造工艺数据库的原型系统；还对面向绿色制造的工艺规划中部分关键技术，如工艺种类选择、工艺参数优化、单工件多机床的节能调度等进行了初步的研究。


我国“十五” 期间进行的主要研究内容绿色产品设计评价系统模型的建立绿色产品清洁生产技术产品可拆卸、可回收技术机电产品噪声控制技术面向环境、面向能源、面向材料的绿色制造技术


概述

绿色加工技术的发展方向：

最优化绿色机械加工是最小的资源消耗和无环境污染。它是从整个企业和社会的综合成本考虑，对于不同的材料、零部件、设备经过综合分析，对冷却方式、冷却介质用量、加工参数进行优化处理，选择一个最合理的加工方案，使加工时间少，效益高，对环境无污染，综合成本最低 ( 这是对整个企业乃至于整个社会来讲，不是仅单纯的指具体加工成本最低 ) 。也就是从系统的观点出发，综合考虑各方面的因素，追求企业甚至社会整体最优。


集成化加工过程不应是一个孤立的单独的加工过程，而

应是考虑到各种因素的集成系统。通过网络和数据库把其它系统如MIS 、绿色设计系统、质量保证系统、物能资源系统等和设备互联起来，实现加工过程中的数据交换和信息共享，从而融入到整个企业集成制造系统里，便于决策。


并行化通过 Internet 可以将 CAD/CAM/CAPP 、 MIS 、 E

RP 、 MRP 等相连，使得生产产品的每一个步骤当中都考虑到了产品整个生命周期的所有因素，如质量、成本、进度计划、用户需求、环境影响、资源消耗状况等，这是一个并行的加工过程。

柔性化企业必须对市场多样化需求和外界环境变化做出动态响应，生产出多样化的产品，因而在底层加工系统的柔性应比较好，可以根据不同的材料，不同的工件，不同的设备更换不同的方法，同时综合成本也是最低的。


概述绿色加工的意义人们在回顾已走过的历程的同时，都在认真思考应该把一个什么样的地球留给子孙后代。绿色制造 / 绿色加工是实现生态工业和社会可持续发展战略的决定性因素与必由之路，它对经济、社会和环境的协调发展具有重要作用，采用绿色制造，使得在产品的整个生命周期过程中，能最大限度地减少对环境的负面影响，真正做到解决环境污染、节约原材料和能源、缩短生产周期、降低生产成本，提高企业的经济效益，实现经济、社会和环境三者之间的协调、优化的持续发展。

绿色加工技术将带来 21 世纪制造业的变革！


第二节绿色加工的基本理论

绿色加工的基本特征技术先进性（实施前提）加工绿色性（最显著特征）加工经济性（必不可少的条件）最终特征：实现加工整体最优化

绿色加工的基本程序 5个基本程序 : 预审→加工过程评审→绿色加工方案

优选→方案实施→持续绿色加工


实施绿色加工的基本程序


绿色加工的基本理论

核心部分：加工过程评审、绿色加工方案优选绿色加工过程评审绿色加工过程评审是对加工过程的现状及物流、

能流等进行调查了解、诊断认识的过程。评审时，根据加工系统特点及其投入、产出关系，确定企业加工过程及加工系统中存在的“非绿色部位”。通过对加工过程及加工系统进行深入、客观的现状审核、分析研究以及对物料平衡和能流的分析，阐明加工过程及各加工单元的功能状态和特性，特别是有关加工过程中资源利用转化、能源物料消耗、废物产生排放的现状及差距。


在加工过程评审的基础上，针对系统中存在的差距，围绕加工过程中原材料投入、加工工艺及设备、生产运行管理、产品和废物内部循环等环节，对可能的节能、降耗、减污部位进行分析，寻找并确定可削减废物、提高能效、提高效率、降低成本等潜在因素。这些潜在因素包括： 1 ）原材料替代和复用 (或综合利用 )； 2 ）实施技术革新，对工艺流程设备进行改造 ;3 ）加强运行与维护管理； 4 ）调整产品结构； 5 ）产品报废回用及再生。上述各因素仅表示对加工过程进行优化的一种可能性，是制定绿色加工方案时需要考虑的一个方面，因此并不等同于实施绿色加工的具体措施。


绿色加工方案优选绿色加工方案的优选是按照绿色加工评价方法，对

方案的基本特征进行评估



根据对方案技术性、经济性、环境性的评估结果，即可推荐可具体实施的加工方案，要求所推选的方案与国内外同类方案相比具有先进性，并在本企业生产中具有适用性和可实施性，可获得显著的环境和经济效益。对于推荐方案应编制可行性分析报告，供主管单位组织专家论证。如在评估过程中未找到可行方案，就必须返回重新进行预审、评审程序。当确定的方案实施完毕后，应及时总结经验，找出缺陷与不足，然后再开始新一轮绿色加工的改进，即实现持续绿色加工。



实现绿色加工的主要途径按照实施绿色加工的基本程序，确定了机械加工过程和加

工系统中的“非绿色部位”，就可以按照选定方案实施绿色机械加工。实施绿色机械加工的主要途径为网络化、信息化、柔性化。

网络化制造的网络化，特别是基于 Internet/Intranet 的制造已成为

重要的发展趋势。作为机械制造重要基础的绿色加工也需要大力推进网络化，通过企业局域网将各个分散的加工中心、数控设备等联接起来，可便于机械加工控制中心对整个加工进程进行总体监控，同时还可与企业中的工程设计系统、管理信息系统等各子系统实现集成，便于优化决策。


信息化绿色加工的追求目标是实现整体最优化加工，即从系统的观

点出发，全面考虑企业和整个社会的综合成本，综合分析不同的材料、零部件、设备等加工因素，优化选择冷却方式、冷却介质及用量、加工参数等，确定最合理的加工方案，以实现加工时间少、生产效益高、环境污染小、综合成本低的目标。信息化是实施绿色加工的关键要素及有效手段。为实现整体最优化加工，需要建立加工设备、切削刀具、切削液、切削用量、工件材料、环境、能源等相关资料的机械加工数据库，采用有限元法、神经网络、人工智能等先进技术对各种绿色加工方法 (如高速切削、干切削、硬切削、 MQL 等 ) 进行建模、仿真、虚拟加工和决策，并通过 Intranet 与企业的其它数据库系统互联共享 , 实现并行设计与生产。


绿色加工的基本理论柔性化现代生产方式已由大批量 !单一品种生产逐渐转变为小批量 !多品种生产 , 要求生产企业能够根据市场变化作出敏捷反应 , 快速适应市场需求 " 绿色机械加工的柔性包括机器柔性 ! 工艺柔性 ! 运行柔性和扩展柔性 " 加工系统应能实现快速重构 , 对新产品开发及产品更新换代具有快速响应能力 , 以最小成本和最短时间适应加工任务及环境的变化 "


绿色加工的基本理论绿色加工工艺从节约资源的工艺技术方面来说，在机械加工中，

绿色加工工艺技术主要应用在少无切屑加工技术、干式加工技术、新型特种加工技术三个方面。

在机械加工中，绿色加工工艺技术主要是在切削和磨削上采用干切削和干磨削的方法来进行加工。常规的加工方法例如车削、铣削、磨削等，都需要切削液来帮助加工，切削液在加工中的作用主要有冷却、润滑、排屑和清洗的作用。干式加工是在加工过程中不采用切削液的一种加工方法。由于在加工过程中不采用切削液，所以可获得洁净无污染的切屑，省去了切削液及其处理的大量费用。


绿色加工工艺技术


绿色加工的基本理论绿色加工的关键技术绿色机械加工技术主要从选材、生产加工方法、加工设备三方面来实现。

材料选择材料选择包括产品材料和辅助材料的选择，应立足于减少不可再生资源和短缺资源的使用量，且应符合易加工、低耗能、少污染、可回收的原则。

绿色加工关键技术


绿色加工的基本理论绿色生产相对于真正的绿色生产技术而言，这里所提到的绿色生产仅仅指生产加工过程。在这一环节，要想为绿色制造做出贡献，需从绿色制造工艺技术、绿色制造工艺设备与装备等入手。在实质性的机械加工中，在铸造、锻造冲压、焊接、热处理、表面保护等过程中都可以实行绿色制造工艺。具体可以从以下几方面入手：改进工艺，提高产品合格率；采用合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，谋求生产过程的废料最少化，避免不安全因素；减少产品生产过程中的污染物排放，如减少切削液的使用等。目前多通过干式切削技术来实现这一目标。


加工设备 1 、刀具技术干式加工对刀具材料要求很高，它要求材料要具有很高的红硬性和热韧性，良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性，在对刀具的几何参数和结构设计时，要满足干切削对断屑和排屑的要求。对韧性材料的加工来说，断屑是很关键的，目前车刀三维曲面断屑槽方面的设计制造技术已经比较成熟，可针对不同的工件材料和切削用量很快设计出相应的断屑槽结构与尺寸，并能大大提高切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。刀具材料的发展使刀片可承受更高的温度，减少了对润滑的要求；真空或喷气系统可以改善排屑条件；复杂刀具的制造可解决封闭空间的排屑问题等。



2 、机床技术我国是拥有机床最多的国家，但我国机床技术落后，特别是数控、高效和自动化机床的占有率低，而干式加工技术的出现给机床设备提出了更高的要求。干式加工在切削区域会产生大量的切削热，如果不及时散热，会使机床受热不均而产生热变形，这个热变形就成为影响工件加工精度的一个重要因素，因此机床应配置循环冷却系统，带走切削热量，并在结构上有良好的隔热措施。实验表明，干式切削理想的条件应该是在高速切削条件下进行，这样可以减少传到工件刀具和机床上的热量。干切削时产生的切屑是干燥的，这样可以尽可能的将干切削机床设计成立轴和倾斜式床身。工作台上的倾斜盖板用绝热材料制成，在机床上配置过滤系统排出灰尘，对机床主要部位进行隔离。


3 、辅助设备技术辅助设备作为制造系统中不可或缺的一环，它的绿色化程度

，对整个制造过程的绿色化水平有着极为重要的影响，甚至是关键性的影响。因此，人类在实现制造技术绿色化的征途上，辅助设备的绿色化是无法回避的。辅助设备包括工装夹具、量具等，夹具又分为通用夹具和专用夹具，其绿色技术主要体现在选用时尽量满足低成本、低能耗、少污染、可回收的原则。


第三节绿色加工的评价体系

确定评价指标体系是进行绿色加工评价的首要问题评价体系（目标）传统加工：加工时间 T (Time)

加工质量 Q (Quality)

加工成本 C (Cost)

绿色加工：加工时间 T (Time)

加工质量 Q (Quality)

加工成本 C (Cost)

资源消耗 R(Resource)

环境影响 E( Environment)

··


绿色加工的评价体系

绿色加工在追求 TQC 的基础上，强调尽可能少地消耗资源 R( 这里的 R主要指物料、设备资源和能源 ) 和尽可能少地影响环境 E ，即形成绿色加工规划的 T 、 Q、 C 、 R 、 E 的评价目标。

绿色加工的评价目标



各目标本身包括复杂的组成部分，可以用一个向量组表示：

T( t1 ， t2 ，…… . ， tt)

Q(q1 ， q2 ，……， qq)

C(c1 ， c2 ，……， cc)

R(r1 ， r2 ，……， rr)

E(e1 ， e2 ，……， er)

绿色加工包括五大方面的目标，而每一个目标又包含多个指标，通过对加工工艺的分析研究，就可以得出绿色加工的评价指标体系



绿色加工的评价指标体系


第四节绿色加工的应用技术

传统的切削与磨削加工中，切削液几乎是不可少的，它对保证精度、提高表面质量和生产效率有重要作用。前面也提到，随着人们的环境保护意识的增强以及环保法律法规的要求日趋严格，切削液的负面影响愈加被人们所重视，如污染环境、危害操作者身体健康、切削液的供给和管理费用高、切削液中的添加剂会造成零件的质量事故等。

切削过程的研究亦表明，切削液具备的冷却润滑、和排屑等作用没有得到充分有效的发挥。因此，人们正试图少使用或不使用切削液，以适应 21 世纪清洁生产和降低成本的要求。因而产生了一系列的绿色加工应用技术。


绿色加工的应用技术

绿色加工技术从使用冷却液的情况可以分为一下几种：

无冷却液机械加工微量冷却机械加工高压水射流切割其它绿色加工


无冷却液机械加工干切技术目前切削加工工艺的绿色化主要集中在不使用切

削液，这是因为使用切削液会耗费大量的切削液和电能，日本一年耗费的切削液就达 8亿升，而使用切削液所耗费的能量大约占整个机械制造工厂能量的 1/10；切削液和切屑的处理费用高，目前与切削液相关的费用已占零件加工成本的 14％～ 17％，若排出未经处理的切削液则会污染周围地区的生态环境；会直接污染车间环境和危害工人健康，切削液受热挥发易形成烟雾和产生异味，特别是极压添加剂所含硫、磷、氯等化学元素在切削过程中形成的物质会引发多种疾病。


然而，不使用切削液的干切削并不能简单实现，因为切削液起着三个重要作用： 1 ）吸收和带走大量切削热，使传入刀具和工件的切削热非常少； 2 ）在刀具与工件以及刀具与切屑接触界面上形成润滑膜，既减少摩擦又抑制切屑粘连到刀具上； 3 ）把切屑迅速冲走。最近十几年兴起的干切削技术，就是要在没有切削液的条件下创造与湿切削相同或近似的切削条件，这涉及刀具、机床、工件、加工方式与切削参数等多方面。

干切削技术是一项庞大的系统工程，需要从刀具技术、机床结构和工艺过程等各方面采取一系列的措施。


无冷却液机械加工干切削技术研究的现状干切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展

战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。 1995年正式确立干切削的科学意义 1997年德国 F.Klocke教授 “干切削”的主

题报告 1999年 B.P.Erdel博士美国干切削发展

的主题报告干切削技术已经在各国工业界和学术界引起广泛的关注。目

前包括欧洲、美国和日本等工业发达国家，非常重视干切削的研究。德国处于领先地位。

我国干切削技术的研究也已起步，但在干切削理论研究方面和国外还存在较大的差距，在工业中的应用规模更小。


干切加工的刀具设计干式切削刀具时，不仅要选择适用的刀具材料和采用的涂层，而且应当综合考虑刀具材料、刀具涂层和刀具几何形状之间的相互兼顾和优化。不同的切削加工方式对刀具设计提出了不同要求，干式切削刀具必须满足以下条件 :1)刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性 ;2) 切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小 ;3)刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热 ;4)刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。下面分别从刀具材料、涂层和几何形状三个方面讨论。


无冷却液机械加工 1 、采用新型的刀具材料近十几年，高硬度材料的出现，为干式切削提供了可能。干切削不仅要求刀

具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是 :超细硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料


无冷却液机械加工

超细硬质合金可以提高普通硬质合金的韧性，具有很好的耐磨性和耐高温性，可制作大前角的深孔钻头和刀片，用于铣削和钻削的干式加工。

陶瓷刀具 (Al203,Si3N4 、金属陶瓷 (Cennet) 等材料的硬度在高温下也很少降低，即具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的的干切削而无须冷却液。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于进行断续切削。也就是说，陶瓷刀具较适合用于进行干车削而不适用于干铣削。


立方氮化硼 (CBN)材料的硬度很高，达 HV3200～ HV4000 ，仅次于金刚石，热传导率好，达 1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在 1200℃下热稳定性很好。采用 CBN刀具加工铸铁，可大大提高切削速度，用于加工淬火钢，可以以车削代替磨削。

聚晶金刚石 (PCD)刀具硬度非常高，可达 HV7000～HV8000 ，热导率可达 2100 W/MK ，线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能可以很快从刀尖传递到刀体，从而减少刀具热变形引起的加工误差。 PCD刀具比较适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。但在温度高于 700 度以上时易出现炭化现象。



2 、采用涂层技术对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。近十年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料多达 15种，有的刀具在刀体上的涂层多达 13层。涂层工艺也越来越成熟，随着技术的发展，现已解决了涂层与基体材料结合强度低的技术难题。涂层刀具分两大类 :

一类是“硬”涂层刀具，如 TiN,TIC 和 Al203 等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中 TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而 TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。


另一类是“软”涂层刀具，如 :MOS2,W S 等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有 0.01左右，能有效减少切削力和降低切削温度。例如瑞士开发的“ MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MOS2 。切削实验表明 :未涂层丝锥只能加工 20个螺孔 ; 用 TiAlN涂层丝锥时可加工 1000个螺孔，而 MoS2涂层的丝锥可加工 4000个螺孔。高速钢和硬质合金经过 PVD涂层处理后，可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的CBN刀具，在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合金。



实际上，涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。 TiAlN涂层和 Mo2软涂层还可交替涂覆，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。


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。



3 、刀具几何形状设计干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加

工中没有切削液，刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。


目前为止，国外已开发了许多大前角车削刀片 (如美国 Carboloy公司推出的一种ME-13 新型硬质合金刀片上的前角达 34°) 和带正前角的螺旋形刀刃铣削刀片 ( 这种刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角，背前角或侧前角可由负变正或由小变大 ) ，旨在减少机床的驱动功率，并通过减小切削力，降低切削温度来满足干切削时对刀具的要求。

日本三菱金属公司开发出一种适用于干切削的“回转型车刀”，该刀具采用圆形超硬刀片，刀片的支持部分装有轴承，在加工中刀片能自动回转，使切削刃始终保持锋利，具有工效高、加工质量好、刀具寿命长等特点。


无冷却液机械加工下图是一种热管式刀具也可以获得较理想的干切削效果。它们

的结构与普通车刀基本相同，所不同的是在刀杆体内部制成了热管。热管内的工作介质一般为丙酮、乙醇和蒸溜水三种。热管是一种高效的传热元件，它利用的是沸腾吸热和冷凝放热这两个最强的传热机理，热管的热导率是相当的银、铜棒的几百倍。热管刀具是一种自冷却刀具，故无需再从外部浇注切削液，尤其适合于在数控机床、加工中心和自动生产线上应用。

热管式刀具结构



对刀具的一些研究成果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。


干切加工的机床干切削不但对刀具要求很高，也对机床的排屑、防尘和热特性提出较高要求。干切削机床最好采用立式布局，至少床身应是倾斜的，理想的加工方式是工件在上、刀具在下，并在一些滑动导轨副上方设置可伸缩角形盖板，工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成，总的原则是尽可能依靠重力排屑。干切削易出现金属悬浮颗粒，故机床常加装真空吸尘装置和对关键部位进行密封。干切削机床的基础大件要采用热对称结构并尽量由热膨胀系数小的材料制成，必要时还应进一步采取热平衡和热补偿等措施。


无冷却液机械加工干切削加工的工艺技术

干切削时切削区的温度明显高于湿切削，所以在不少情况下干切削加工比湿切削加工时的切削用量要小。不过，在高速切削条件下， 95% 的切削热将被切屑带走，切削力也可降低 30% ，所以高速切削也是干和准干切削的发展方向之一。当然，干和准干切削采用的切削用量还要根据具体加工条件进行优选。


在高速干切削方面，美国Makino公司提出“红月牙” (Red Crescent) 干切工艺。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。实现“红月牙”干切工艺的关键在刀具，目前主要采用 PCBN 和陶瓷等刀具来实现这种工艺，如用 PCBN刀具干车削铸铁车盘时切速已达到 1000m/min 。

当然，选用什么刀具材料还要视工件材料而定。虽然上述PCBN很适合进行高速干切削，但主要是对高硬度黑色金属和表面热喷涂的硬质工件材料进行干切削，由于 CBN 与铁素体有亲和性，故不宜用于低硬度 (HRC45 以下 ) 工件的加工。又如金刚石刀具的碳与铁元素有很强的化学亲和力，故不能用来加工黑色金属。



干切削的难易程度与加工方法和工件材料的组合密切相关。从实际情况看，车削、铣削、滚齿等加工应用干切削较多，因为这些加工方法切削刃外露，切屑能很快离开切削区。而封闭式的钻削、铰削等加工，干切削就相对困难一些，不过目前已有不少此类孔加工刀具出售，比如德国 Titex公司可提供适用于干切削的特殊钻头 Alpa22 ，其钻深与直径之比达到 7～ 8 。就工件材料而言，铸铁由于熔点高和热扩散系数小，最适合进行干切削，钢的干切削特别是高合金钢的干切削较困难，这方面曾进行大量试验研究并已取得重大进展。铝及铝合金虽然是难于进行干切削的材料，但通过采用 MQL润滑的准干高速切削，在解决切屑与刀具粘连及铝件热变形方面获得突破，实际生产中已有加工铝合金零件的准干切削生产线在运行。对于难加工材料，则有使用激光辅助进行干切削的。


无冷却液机械加工在特殊气体氛围中进行干切削

干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中 (氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术 ) 不使用切削液进行的切削。

试验表明，在某些特殊气体氛围中进行干切削加工，有利于减少刀具磨损，从而发展成为干切削技术的另一分支。


A. 在氮气氛围中进行干切削（吹氮加工）氮气占空气的 79% ，吹氮加工使用的氮气可借助氮气生成装置除去空气中的氧、水份和 CO2 而获得，然后经由喷嘴吹向切削区。氮气是不燃性气体，如果切削加工在氮气氛围中进行自然不会起火，这对干切削加工具有易燃性的镁合金很有意义 (湿切削加工时镁屑处理是个难题 ) 。更重要的是氮气氛围抑制刀具的氧化磨损，可保护刀具涂层和防止切屑粘连到刀具，能提高刀具的耐用度。日本人曾经作过吹氮加工和其它加工方式端铣碳钢的对比试验，发现吹氮加工的刀具磨损，特别是后刀面磨损比干切削 (或者吹空气 )加工时低得多。



B. 干式静电冷却技术这是原苏联在上世纪 80年代发明的干切削技术，其

基本原理是通过电离器将压缩空气离子化、臭氧化 (所消耗的功率不超过 25W) ，然后经由喷嘴送至切削区，在切削点周围形成特殊气体氛围。这样不仅降低切削区的温度，更重要的是能在刀具与切屑和刀具与工件接触面上形成起润滑作用的氧化薄膜，并使被加工表面呈压缩压力 ( 可增加零件使用寿命 ) 。俄罗斯罗士技术公司曾对此作大量试验，发现在多数情况下，采用干式静电冷却技术的刀具寿命与湿切削相当或超过，在少数情况下，也能达到湿切削时刀具寿命的 0.8-0.9 。据介绍，目前在俄罗斯的国防和汽车企业中，大约已有 5,000台使用此项技术的机床。


C.冷风干切削冷风切削加工的简单工作原理和设计方案是：让

低温冷风射流机生成的干燥低温冷风（ -30℃～ -50℃）（或混入非常微量的植物油），并喷射到切削点，对刀具的前、后刀面实施冷却、润滑和排屑以降低切削温升，同时引发被加工材料的低温脆性，使切削过程较为容易，并相应改善刀具磨损状况。该系统主要由：空气压缩机、低温冷风射流机、微量油雾化器、喷射器、刀具等机构组成。


无冷却液机械加工高速干切削：新型的绿色加工技术

高速干切削的出现与高速切削和干切削有密切关系。高速切削具有切削效率高、切削力小、加工精度高、切削热集中、加工过程稳定以及可以加工各种难加工材料等特点。随着高速机床、加工中心的不断发展，切削速度和切削功率急剧提高，使得单位时间内的金属切除量大大增加，机床的切削液用量也越来越大。但高速切削时切削液实际上很难到达切削区，大量的切削液根本起不到实际的冷却作用。这不仅增加了制造成本，还加重了切削液对资源、环境等方面的负面影响。　　


与高速切削相比，由于干切削在加工过程中不用（或微量使用）切削液，是一种对环境污染源头进行控制的清洁制造工艺。干切削作为一种新型的绿色制造技术，不仅环境污染小，而且能大幅度降低产品的生产成本。作为一种环境效益和经济效益俱佳的切削技术，干切削已成为目前绿色制造工艺研究的一个热点，并已在车、铣、钻、铰、镗削等加工中得到了成功应用。


无冷却液机械加工高速干切削技术是在高速切削技术的基础上，结合干切削技术或微量切削液的准干切削技术，将高速切削与干切削技术有机地融合，结合两者的优点，并对它们的不足进行了有效补偿的一项新兴先进制造技术。切削技术、刀具材料和刀具设计技术的发展，使高速干切削的实施成为可能。采用高速干切削技术可以获得高效率、高精度、高柔性，同时又限制使用切削液，消除了切削液带来的负面影响，因此是符合可持续发展要求的绿色制造技术


高速干切削技术有以下特点：生产效率高。高速干切削的切削速度远高于常规切削。目前

在实际生产中高速切削铝合金的速度范围为 1500～ 5500m/min，铸铁为 750～ 4500m/min ，普通钢为 600～ 800m/min 。切削进给速度已高达 20～ 40m/min 。而且，高速切削技术还在不断发展。

采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍。传统的切削加工方式为 " 重切削 " 方式，每一刀切削排屑量大（切削深度大，但进给速度低）；而高速干切削为 " 轻切削 " 方式，采用小吃刀深度、高主轴转速和高进给速度，每一刀切削排屑量小，切削深度小，但切削线速度大，进给速度高，这样可显著提高工件材料切除率，切削效率高。


无冷却液机械加工加工质量好。干切削是依靠刀具涂层起到润滑减摩作用，无

论切削速度多高，涂层的前后刀面都始终在接触区内，所以，高速切削时更容易显示出干切削的优势。尽管干式切削由于缺少切削液的润滑、冷却、冲洗和排屑断屑作用，会导致刀具与工件、切屑之间的摩擦加剧，切削力增大，切屑变形加剧，切削热急剧增加，切削区温度显著升高，刀具耐用度降低，工件加工质量不易保证。但可通过分析干切削的各种特定条件和影响干切削的各种因素，寻求相应的技术解决方案及措施来弥补不使用切削液所造成的上述缺陷。如针对不同的工件材料和切削用量设计刀具结构、几何参数和相应的断屑槽形，以满足干切削的加工要求；某些刀具涂层材料具有类似切削液的功能，可隔离切削热，在较长时间内保持刀尖硬度和锋利性，使刀具材料不易发生化学反应等。应用这些措施来保证干切削的加工质量，使干切削加工顺利进行，达到甚至超过湿切削时的加工质量、生产率和刀具耐用度。


生产成本低。湿切削加工中切削液的使用成本太高。德国汽车制造业的调查数据显示，把切削液的费用和有关设备费、能耗费、处理费、人工费、维修费、材料费加在一起达到全部制造费用的 7%～ 17% ，而全部刀具费用仅为总制造费的 2%～ 4% ，可见使用切削液的成本已数倍于刀具费用。同时，由于排放的切削液和带有切削液的固体物被当作有毒材料进行处理，大大增加了切削液的供给、保养和回收处理成本，在与切削液有关的总费用中回收处理费用高达 22％。而采用高速干切削技术后由于不使用或使用最少量的切削液，加工的成本就会大幅度降低。



另一方面，由于在高速干切削过程中，大部分的切削热被切屑和刀具承载，切屑被快速处理掉，而刀具却持续承受切削热和切削力。因此，高速干切削对刀具材料和工艺的要求很高（要求刀具有很高的红硬性和高温稳定性），使刀具的成本相应有所提高。此外，在大多数情况下，高速干切削刀具都是针对某种材料的具体工艺要求专门设计制作的，这就需要在刀具设计中融入高效冷却手段或进行刀具结构和几何参数的独特设计（如在切削发热严重时，刀具前刀面可加一个液氮循环冷却装置），这在一定程度上也增加了刀具的成本。

　　


综上所述，尽管高速干切削加工的刀具和机床成本有所增加，但由于节省了大量的切削液成本，而且切削速度提高、切削时间变短、设备利用率提高，使得综合生产成本大幅度下降。

发展高速干切削的关键技术同样体现在以下方面：　　一是刀具技术。包括刀具涂层技术、刀具材料技术、刀具结构和几何参数的设计、可靠的刀具监测装置等

二是机床技术。设计高速干切削机床时要考虑的特殊问题主要有：设计和制造高速度、大功率的主轴单元、进给单元和辅助装置；切削热的散发；切屑和灰尘的排出等。


无冷却液机械加工采用低温冷却气对刀具降温

目前干式干式切削技术还不完善，往往还需要辅助压缩空气（液氮等）、冷却气降温，有时候还会用到少量润滑油或喷雾润滑。但是我们有理由相信，随着干式切削的快速发展，必然会带动刀具的不断革新，在不久的将来会涌现出更多新技术、新设计、新材料的刀具。


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。


冷却气降温是国内近几年新兴的刀具降温方式，也称作干式冷却。它通过涡旋管 (vortex tube)将常温下的压缩空气降低到零下 10～ 20℃之间。由一个单头、多头或扁平万象管输送冷空气直接吹向刀具和工件的接触表面，降低温度，减少热冲击。或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。


采用低温冷却气对刀具降温涡旋管的工作方式类似于龙卷风，压缩空气 (0.55～ 0.69MPa

)经过发生器的螺旋口进入涡旋管的腔体内，形成 1000000r/min的高速涡旋气流流向尾端。此过程中释放出巨大的热能，使腔体表面温度急剧升高。到达尾端的涡旋气流经过锥形排气阀，排出少量的压缩空气并带走大量的热量。剩余的涡旋气流沿排气阀的锥形表面调转 180° 由腔体另一端流出，此时的涡旋气流因为已经释放出了大量热能，自身温度非常低，通常能下降到 -10℃左右。而在实验室环境中最低温度能下降到 -46℃的低温，是局部降温的最佳方式。

涡旋管工作原理示意图


涡旋管生产 -10℃低温气体，表面结冰


法国物理学者 George Ranque 在1928年一次实验中偶然发现他正在试验的涡流式泵一端排出热空气而另一端排出的是冷空气。这立刻让 Ranque 产生了浓厚的兴趣，并试图制造出第一个涡旋管，可惜 Ranque 的努力失败了。这也使得涡流管的真正问世延后到 1945年，德国物理学家 Rudolph Hilsch 发表了一篇受人瞩目的关于涡流管的科学报告。此后，历经理论和实践的不断更新完善，涡流管逐渐成为工业制冷的新工具，并迅速在欧美工业强国广泛使用。涡旋管的应用也不断创新，推出了冷却枪用于机床行业刀具降温和机箱冷却器用于高温控制柜降温。

配备过滤器和消音器的机箱冷却器


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。



总之，干切削加工从根本上解决了切削液带来的弊端，不仅有利于保护环境和工人健康，而且可以降低加工成本，无疑是一种很有发展前途的绿色零件加工工艺。据资料报道，在欧洲的大批量机械加工中，目前大约有 10%-15% 的加工使用干或准干切削，而干切削技术的研究开发工作，近十余年已经成为制造工程和企业界人士关注的热点之一。无论在实际生产应用还是在研究开发方面，中国与国外都存在相当差距，需要采取措施加快发展步伐。应该看到，重视环保是时代潮流，本世纪在中国推行干和准干切削技术也是大势所趋。


无冷却液机械加工干磨技术

磨削加工是一种高效的加工方法，具有加工精度高和能加工高硬度零件等优点，有时是其它切削加工方法所不能替代的。由于加工时需要在砂轮和工件表面之间加入磨削液来起润滑及冷却和消尘作用，需要大量使用磨削液，但废液污染环境。因此在磨削加工中如何减少或不用磨削液，同时减少粉尘对环境的污染，以求绿色的磨削加工，是加工制造业努力的方向。


由于磨削速度高，磨屑和磨料粉尘细小，易使周围空气尘化，为防止空气尘化要用磨削液；同时为了防止工件烧伤、裂纹，要冷却降温，冷却降温也要用磨削液，从而带来废液污染环境的问题。


干磨技术

由于常规的磨削加工产生一些环境问题，因此世界各国都在进行有利于环保的磨削加工的研究，其基本的思路是不使用或少使用磨削液于是就产生了干式磨削技术。

干式磨削就是不使用磨削液的磨削加工技术。但因为干式磨削不使用磨削液就失去磨削液的作用，因此，通常很少使用。如果使用热传导性良好的 CBN砂轮进行低效率磨削，或用金刚石砂轮进行点式磨削，以及采用具有合适散热方式的冷风磨削，仍可使用干式磨削。


干式磨削在磨削过程中不用任何磨削液，它的优点是形成的磨屑易回收处理，且可节省下涉及到磨削液保存、回收处理等方面的的装备及费用，节约了生产成本，也不会造成环境污染。但实现起来比较困难这是因为，原来由冷却液承担的任务，如磨削区润滑、工件冷却以及磨屑排除，都需要另外的方法完成。其中关键问题是如何降低磨削热的产生或使产生的磨削热很快地散发出去。为此可采取以下措施：


干磨技术

（ 1 ）选择导热性好或能承受较高磨削温度的砂轮，降低磨削对冷却的依赖程度。新型磨料磨具的发展已为此提供了可能性，如具有良好导热性的 CBN砂轮可用于干式磨削。

（ 2 ）减少同时参加磨削的磨粒数量，以降低磨削热的产生，如点式磨削。


（ 3 ）在满足切磨条件的情况下，减少砂轮圆周速度 vs 与工件圆周速度 vw间的比值（ q=vs/vw ），这样可使磨削热源快速地在工件表面移动，热量不容易进入工件内部。

（ 4 ）提高砂轮的圆周速度，以减少砂轮与工件的接触时间。同时为了保持上述的速比 q不变，应等量地提高工件的圆周速度。

（ 5 ）用新型冷却方式，如采用强冷风磨削。


干磨技术强冷风干式磨削强冷风磨削加工是日本最近开发成功的一项新技术

。强冷风磨削是通过热交换器，把压缩空气用液氮冷（－ 190°C ）却到 -110℃，然后经喷嘴喷射到磨削点上（由于温度下降，原来空气中的水份会冻结在管道中，因此需使用空气干燥装置），将磨削加工所产生的热量带走。同时，由于压缩空气温度很低，产生热量少，所以在磨削点上很少有火花出现，因而工件热变形极小，可得到 10μm 以内的椭圆度。


实施强冷风磨削最理想的是与 CBN砂轮结合使用，可充分发挥 CBN的优越性。这是因为 CBN磨粒的导热率是传统砂轮磨粒Al2O3、 SiC及钢铁材料的 15倍。如果用传统砂轮磨削，加工点上产生的热量不易从工件上散出，工件的温度会上升到 1000℃左右；如果用 CBN砂轮磨削，加工点上产生的热量可经导热率大的 CBN磨粒传递出去，工件温度约有 300℃左右。因此，使用 CBN砂轮进行干式磨削时，再对磨削点实行强冷风吹冷，可得到良好的效果。


干磨技术

强冷风磨削也为被加工材料的再生利用开辟了道路，设置在磨削点下方的真空泵吸走磨削产生的磨屑，这些磨屑粉末纯度很高，几乎没有混入磨料和粘结剂颗粒。这是因为 Al2O3砂轮的磨削比是 600 ，而 CBN砂轮的磨削比约为 30000 。 CBN砂轮几乎不磨损，磨屑中没有砂轮的粉末，因此，磨屑粉末融化后再生材料的成分几乎没有发生变化。


点磨削点磨削是另一种形式的干式磨削，它是由德国容克公司首先发展起来的一种超硬磨料高效磨削新工艺，目前在我国汽车工业中已得到应用。该工艺有极高的金属去除率和很高的加工柔性，在一次装夹中可以完成工件上所有外形的磨削，同时产生的热量少，散热条件好。


干磨技术

点磨削是利用超高线速度（ 120～ 250m/s ）的单层 CBN薄砂轮（宽度仅几毫米）来实现的。点磨削主要有以下特点：

（ 1 ）点磨削用提高磨削速度的方法来提高加工效率，而 CBN磨料的高硬度、高耐磨性为提高磨削速度提供了可能，并且此砂轮是由电镀和钎焊单层超硬磨料而成型，更允许进行超高速磨削。以这种速度磨削，去除率高、砂轮寿命长，同时磨削时变形速度超过热量传导速度，大量变形能转化成的热量随磨屑被带走，而来不及传到工件和砂轮上，是一种冷态磨削。这样提高了加工精度和加工表面质量，砂轮表面温度几乎不升高。


（ 2 ）点磨削在提高砂轮速度的同时，还减薄了砂轮的厚度，使砂轮的厚度只有几个毫米，这可以降低砂轮的造价，提高砂轮制造质量。薄砂轮还降低砂轮的重量和不平衡度，大大降低运转时施加在轴上的离心力。

（ 3 ）为减少砂轮与工件间的磨削接触，加工时，砂轮轴线与工件轴线形成一定的倾角，这使砂轮与工件之间的接触变成点接触（这也是点磨削名称的由来）。这样降低了磨削接触区的面积，不存在磨削封闭区，更利于磨削热的散发。


干磨技术

（ 4 ）点磨削时，砂轮与工件间磨削接触区为点接触，磨削力大大减小，这实际上等于增加了机床刚度，减轻了磨削产生的振动，使磨削平稳，同时提高了砂轮寿命和加工质量。

（ 5 ）点磨削砂轮寿命长（可使用一年），修整频率低（每次修整可磨削加工 20万件）。


微量冷却机械加工采用MQL润滑的准干式切削对于某些加工方式和工件材料组合，纯粹的干式切

削目前尚难于在实际生产中使用，故又产生了极微量润滑（ Minimal Quantity Lubrication ，简称MQL ）技术。 MQL 是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并油雾化，然后一起喷向切削区，对刀具与切屑和刀具与工件的接触界面进行润滑，以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同时也冷却了切削区（油雾在切削区汽化也会吸收不少切削热）并有利于排屑，从而显著地改善切削加工条件。 MQL 也即在切削中，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。


采用 MQL润滑的准干式切削

MQL润滑的准干式切削效果相当好，曾经有人使用涂有 TiAIN+MoS2涂层的钻头，对铝合金材料工件钻孔，采用纯粹的干切削钻 16孔后，切屑就粘连在钻头的容屑槽，使钻头不能继续使用，采用 MQL润滑后，钻出 320个合格孔后，钻头还没有明显的磨损和粘连。日本稻崎一郎等人曾用直径 f10mm 的硬质合金端铣刀，以 60m/min 的切削速度铣削碳钢，比较干切削、吹高压空气、湿切削（ 250L/h 切削液）和准干式切削（ 20mL/h 切削油）四种加工方式的刀具磨损。尽管准干式切削所使用的切削液不及湿切削的万分之一，但其铣刀后刀面的磨损不仅大大低于干切削，且与湿切削相近甚至略低。


采用 MQL润滑的准干式切削，除了需要油气混合装置和确定最佳切削油量外，还要解决一个关键技术问题，就是如何保证极微量的切削油顺利送入切削区。最简单的办法，当然是从外部将油气混合物喷向切削区，但这种外喷法有时并不很有效，比如加工较深的孔。更有效的办法是让油气混合物经过机床主轴和工具中间的通道喷向切削区，称为内喷法。内喷法按照切削油和压缩空气在进入机床主轴之前混合还是在进入之后混合，又进一步分为外部混合式和内部混合式。


MQL 技术

在钻孔过程中， MQL 系统向刀具尖端喷射出小滴的冷却液



机床制造商为适应市场需求，相继推出准干式切削的机床，如德国 Hueler Hille公司的 500/630 T 高速加工中心，就可提供进行准干式切削的品种；日本丰田工机的小型高速加工中心 Piccocenter ，则是专门为准干式切削小型铝合金零件设计的。上述两种准干式切削机床，都是通过内喷法进行 MQL润滑。内喷法的效果良好，但也存在不可忽视的缺点：使机床主轴和工具系统的结构变得复杂；当主轴转速过高时，受离心力作用影响，切削油易粘附在主轴和工具的内孔壁不易达到切削区，目前情况主轴转速一般不宜超过 20000～ 30000r/min 。


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。


准干式磨削

准干式磨削由于不使用磨削液又很难进行磨削加工，因此如何尽量减少磨削液的使用是当前研究的重点—即准干式磨削。准干式磨削首先是采用合适的供液方法，使磨削液有效地送到磨削区，增强冷却效果；其次是不断探索磨削液的最佳流量，实现用量微量化。


准干式磨削就是在磨削过程中施加微量磨削液，并采取一定的措施，使这些磨削液全部消耗在磨削区并大部分被蒸发掉，没有多余磨削液污染环境。较多使用的射流冷却磨削加工就是一种准干式磨削。射流冷却是一种比较经济的冷却方法。它把冷却介质直接强行送入磨削区，用较少的冷却介质达到大量浇注的效果，同时也减少了对环境的污染。依照射流介质不同，又分为液体射流、气体射流、混合射流三种。从环境角度讲，三者相比，气体射流冷却是一种比较好的冷却方式。选择一定的气压，通过各种控制元件将介质送到射流口，以冲刷加工区，加强磨削区与周围的热交换，改善磨削区的散热条件。射流冷却着重针对磨削区，比其它冷却方法更能使冷却介质进入磨削区，冷却的针对性强，效果显著。射流的冲刷作用使磨削时产生的磨屑粉末不易粘附在砂轮上，有利于加工质量的提高。


干式和MQL金属切削系统的实际情况采用冷却液 ( 无论是纯油或油水混合物 ) 的金属切削实现了以下功能，包括冷却机床、工件，调整机床刀具，使刀具和工件之间润滑，冲洗切屑等。干加工和 MQL 系统能否提供相同的功能？

虽然切削液原料成本高并且还在增长，但是干式和 MQL 系统需要专门的机床和结构设计，以帮助清除切屑，冷却机床和主轴。许多机床生产商犹豫不决，不敢彻底地重新设计新机床和辅助设备；


通过使用非传统的切削液——包括酯类，环境成本显著减少。这些产品的技术优点包括具有清洁剂、分散剂的性能，低发泡，快速放气，着火点相对较高以及表层兼容。基于植物的润滑油可迅速被生物降解，大多数情况下，润滑油在 21 天内即被分解，这样就无长期清洁的后顾之忧。这些润滑油也已经得到改进，具有低雾化的特点，有助于短期清洁。 Fuchs石油公司已开发出 Planto 系列冷却液，它们是基于植物的冷却润滑油，在全球取得了巨大的成功。使用新型节能泵以大大减少机床的年耗电量；


干式和 MQL金属切削系统的实际情况

只有某些刀具，主要是铣刀和嵌入刀片，可以利用干切削和 MQL 切削。钻深孔还存在着相当大的问题，因为难以清除切屑。铝合金难以进行干铣，因为细小的切屑微粒变热，容易粘在切削刀具上，这样会显著缩短刀具的使用寿命；

干式切削可使刀刃温度高达 800摄氏度


利用干式和 MQL 系统可以缩短加工时间，但是有一些限制条件，例如不可能执行长时间的连续切削。记住冷却液的功能之一是冷却工件、刀具、切屑和机床。在快速加工时，这些区域的高温对操作者很危险 (切屑的表面温度高达 800摄氏度 ) ，并且会使工件预硬化或变形，由于机床、支柱和刀具的膨胀导致工件尺寸发生变化。 MQL 不能降低切削温度。干式切削在工厂环境中引起噪声污染。使用冷却液冲洗工件和切削区域能消除许多这类问题；


干式和 MQL金属切削系统的实际情况虽然干式和 MQL 切削系统消除了冷却液雾，但是生产商和操作者们关心的一个主要问题是金属粉尘。 IPT 在德国亚琛对铣削传统铸造材料时所产生的粉尘进行了测量，结果表明每加工一千克材料将产生 4.5克及其细小的粉尘。最大允许值是 MAK阈值 6 mg/m3 。虽然可以把机床设计成大部分采用垂直表面，并用刷子清洁水平表面，但是加工粉尘会堆积在导轨面上，进入缝隙中，附着在传感器和窗户上，使得机床的运转变得很困难。用压缩空气或干冰鼓风这种做法不切实际，成本高昂，而且会加剧金属粉尘的问题。金属粉尘的附着也是导致切削刀具使用寿命缩短的一个重要原因。

齿轮干式切削滚刀表面附着了金属粉尘


干式和 MQL金属切削系统的实际情况

应用实例：一家德国汽车制造商安装了一条灵活的生产线来

生产轮毂，在该生产线上使用机械手来装载和卸载零件，并且采用最小量润滑技术。据称从一组轮毂到下一组轮毂的总制造时间为 43秒。通过使用 MQL 系统，乳化剂以每小时 80ml 的速率被输送贯穿至整个轴，而传统的切削加工每分钟需要 300升乳化剂。机床经专门设计和建造来实现“悬挂加工”，因此，切屑可以直接落下，而不会粘在机床上。


在大众汽车公司的扎耳茨吉特工厂，采用干式切入磨削技术来制造他们的新型“泵 /喷嘴” 柴油机的锻压凸轮轴。凸轮轴的材料为16MnCr5 ，所达到的公差必须小于 5/100mm 。已经开发出了专门的刀具来从事该磨削加工。

从上面的例子可以看出干切或MQL 技术的优势，及绿色特性，但也请注意这两个实例的相似之处——既不能使用传统设计的机床，也不能使用现有的刀具。为了利用干切削或MQL 切削技术，需要预先规划、设计、专门的制造技术以及投资，这在一定程度上削弱了干式或MQL 切削技术较传统加工原理的成本优势。因而他们技术的发展还需要解决很多的实际问题。


高压水射流切割高压水射流切割自本世纪 50年代起，人们开始研究一种独特的冷

切割新工艺，利用高聚能水射流对材料的破坏作用来切割材料。但由于当时技术水平的限制，无法将水的能量提得很高，压力只在 100MPa 以下。到 70年代，研制出了高压泵和增压器，其水压可达 200MPa 以上，目前水压可达 1000MP 以上。 1971年，首台高压水射流切割机在美国问世，可切割多种非金属软材料。 1983年，美国又发明磨料水射流切割机，其切割能力大幅度提高，可切割各种金属及非金属材料，从而有了新的突破。


高压水射流切割机的分类水切割的形式从水质上分，有纯水切割和加磨料切割；从加压方式上分，有液压加压和机械加压；从机床结构上分，有龙门式结构和悬臂式结构。一套完整的水切割设备由超高压系统、水刀切割头装置、水刀切割平台、 CNC控制器及 CAD/CAM切割软件等组成。


高压水射流切割水射流切割绿色加工方法的特点有：（ 1 ）因为是冷切割，对材料无热损伤，也无热变形

。这对许多高性能或热敏感材料尤为可贵。它对被切材料无选择性，因而能做到一机多用。

（ 2 ）具有很强的切割力，可切断 180mm厚的钢板、 250mm厚的钛板、 470层每层厚达 65mm 的石墨环氧树脂合成板、 5m厚的石材或混凝土等。

（ 3 ）点能源切割，切割反力很小，只有十几公斤，便于全方位自由切割形状复杂的工件，便于自动控制，实现柔性加工。


（ 4 ）切口质量好且窄，最小切口宽只有 0.075mm ，公差可达士 (0.06~0.25)mm ，粗糙度可达 Ra 7~2m，表面平整光滑，不必二次修整，可节省材料和工时。

（ 5 ）湿法切割，无粉尘、烟雾、火花、气味等，是清洁安全切割，劳动条件好，噪音≤ 90dB 。

（ 6 ）生产效率高，一套系统可配置多喷嘴同时作业，工件可一次达到尺寸要求。

（ 7 ）可在水中或几百米深的水下切割。


高压水射流切割

高压水射流切割的应用范围高压水射流切割的适用范围取决于高压水射流的类型

。（ 1 ）纯水型高压水射流切割纯水型切割因仅利用高速水射流的动能，故其切割加工能力较差，只能适用于切割质地较软的材料，比如橡胶、布匹、纸及玻璃纤维增强合成材料等。另外，也可用于木板、皮革、泡沫塑料、玻璃、毛织品、地毯、碳纤维织物以及其他层压材料的切割加工。


（ 2 ）加磨料型高压水射流切割加磨料型切割因在水中加入了特殊的磨料，水射流

的冲击作用远大于纯水型切割，故其加工能力大大提高，尤其适用于切割硬质材料。加磨料型水射流不但能切割各种金属材料，特别是对热敏感性强的金属（如钛合金）、硬质合金以及表面堆焊有硬化层的零件、外包或内衬异种金属或非金属材料的钢制容器或管子等工件的切割特别有效，而且可以切割陶瓷、钢筋混凝土、花岗岩以及各种复合材料等。与纯水型切割相比，加磨料型切割作用于切割区的平均应力低，工件中残留的残余变形很小。不过，能用纯水型切割的材料，不宜采用加磨料型来进行切割，因为后者的操作成本太高。


高压水射流切割 SXSL 系列高压水射流切割机 SXSL 系列超高压发生器系统能把普通水增压至 100-300MPa ，然后通过一个直径约 0.2mm 的宝石喷嘴射出速度为 900m/s左右的水箭，再加入少量的砂，此水箭可切割各种材料。　　该系统主要由超高压发生器、 CNC 二维半数控机床、计算机辅助系统 (CAD/CAM) 等几部分组成。超高压水射流切割是近年来才兴起的一项冷态切割新工艺，和传统的切割工艺相比，具有切缝窄 (0.8-1.2mm) ，切口平整，无热变形，无边缘毛刺，切割速度快，效率高，切割无污染等优点。　　采用该系统的数控机床适用于绝大部分材料的任意图形的切割。例如对塑料、皮革、纸张、布匹、食品、木材、石棉、水泥制品、玻璃、化纤、陶瓷、铜板、防弹玻璃、合金材料、防弹材料、多种材料的复合体等材料的切割。



南京合展超高压水射流切割机合展超高压水射流切割机是将普通的水通过一个超高压加压器，将水加压至 300Mpa至 380Mpa ，然后通过通道直径为 0.3mm 的水喷嘴产生一道约 3倍音速的水射流，在计算机的控制下可方便的切割任意图形的软材料，如纸类、海绵、纤维等，若加入砂料增加其切割力，则几乎可以切割任意材料，尤其对玻璃加工特别适合。


高压水射流切割南京合展超高压水射流切割机基本参数：

型号 HSQ1313A 台面尺寸 1.5m*1.2 加工范围 1.2m*1.0m 运行速度 0～ 10m/min 控制系统交流伺服系统控制精度 ±0.01mm 切割精度 ±0. 1mm 最高工作压力 300MPa 最大喷嘴直径 0.3 mm 高压水排量 2.6L/min 技术参数油泵电机功率 22kw 电源 380v　 50Hz

优点：1．可以轻松地切割不锈钢板或坚硬的大理石、花岗岩等，对那些因其他方法难以切割的材料如芳纶、钛合金等各种复合材料更是非常理想或唯一的加工手段。2．切割时不会产生裂痕，它可以切割间隙很窄的材料。一般而言，纯水切割其切口约为 0.1mm至 1.1mm ，加砂切割其切口约在 0.8mm至 1.8mm 之间 . 。随着砂喷嘴内孔直径扩大其切口也就愈大。3．可作全方位的切割，包括各种形状、角度或斜度；4．不需要进行磨边等二次加工，在切割过程中还可以减少飞尘，改善工作环境。



高压水切割水刀

其他一些机床


其它绿色加工其它绿色加工

少无切屑加工技术少无切屑加工技术首先是在传统的毛坯制造工艺

（铸造、锻压）的基础上，通过采用新技术和方法而发展起来的精密成形加工技术，包括精密铸造、精密锻造和粉末冶金等。快速原型制造则是综合利用新材料技术、激光技术、 CAD 技术、数控技术而形成的少无切削加工的高新技术。


少无切削加工有以下技术特点： 1 ）成形精度高。目前，精密铸造、精密锻造、粉末冶金的零件成形精度可达到 6～ 9级。因此，对普通精度要求的零件无须切削加工，对高精度要求的零件只需少量精密切削或磨削加工，从而，大大减少了原材料、辅助材料、设备、刀具、工具等资源的消耗。 2 ）通过对成形过程进行控制，可获得良好的零件整体性能。因此，可大大减少热处理工序，从而节省能源。 3 ）由于大大减少了资源消耗和工艺环节，因此，产生的废弃物少，对环境影响小。


其它绿色加工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：

（ 1 ）高性能、长寿命、低污染切削液的开发；（ 2 ） “最小润滑”技术的研究；（ 3 ）冷却液净化处理技术的研究。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。


总结

绿色制造是 21 世纪制造业的可持续发展模式，并成为 21 世纪制造业的重要特征，是制造业发展的趋势和方向。而绿色加工是绿色制造对机械加工过程的具体要求 , 成为绿色制造体系的核心内容。加快发展有（无）切削液的各种绿色加工技术，对保护环境、节约能源和资源、实现制造业的现代化、绿色化及可持续发展有重要的意义，是制造业发展的必由之路。

第九章 绿色加工技术

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第九章绿色加工技术