綠色切削及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展概況

文/張翠杰 王文龍，鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南工學(xué)院

1 引言

21世紀(jì)，制造業(yè)必將持續(xù)發(fā)展，要求產(chǎn)品的制造過(guò)程應(yīng)當(dāng)在保證高生產(chǎn)效率的核優(yōu)良的質(zhì)量的同時(shí)，又能維護(hù)生態(tài)良性循環(huán)。如何使制造業(yè)在生產(chǎn)出不斷滿足人們物質(zhì)和文化需求的產(chǎn)品的同時(shí)，有效地利用能源，盡可能少的產(chǎn)生環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)前制造科學(xué)方面面臨解決的重大問(wèn)題。隨著人們的不斷努力創(chuàng)新，綠色切削技術(shù)逐步被各個(gè)國(guó)家所采用，成為各國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要一步。

2 綠色切削的內(nèi)涵、分類及特點(diǎn)

2.1 綠色切削的內(nèi)涵

所謂綠色切削是指在保證產(chǎn)品質(zhì)量、成本和效率的基礎(chǔ)上，充分利用資源能源，實(shí)現(xiàn)少無(wú)環(huán)境污染的新型切削工藝方法。其本質(zhì)是在切削過(guò)程中實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、高效、清潔生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)綠色切削，往往采取以下措施：優(yōu)化毛坯形狀、減輕毛坯重量、實(shí)現(xiàn)少無(wú)余量切削；優(yōu)化刀具材料性能，使用各種軟硬涂層，降低刀具材料消耗；降低切削摩擦，提高能量利用效率，減少切削能量消耗；不用、少用切削液，或者使用綠色切削液，以及采用其他冷卻、潤(rùn)滑方式來(lái)代替切削液，減少環(huán)境污染。

2.2 綠色切削的分類與特點(diǎn)

根據(jù)采用的切削介質(zhì)不同，綠色切削技術(shù)主要包括自然綠色切削和輔助綠色切削。自然綠色切削是指在切削加工過(guò)程中，除自然環(huán)境冷卻外不使用任何其他附加的介質(zhì)的加工方法，如干切削、干磨削技術(shù)。輔助綠色切削是指把無(wú)污染的介質(zhì)（水蒸氣、綠色潤(rùn)滑液、液氮等）輸入到切削區(qū)進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑的加工方法，如液氮冷卻、微量潤(rùn)滑(Minimumu Quatity Lubracation,MQL)、低溫冷風(fēng)切削等等。

干切削由于不使用切削液，與濕切削相比，省去了與切削液相關(guān)的一些費(fèi)用，形成相對(duì)干凈衛(wèi)生的工作環(huán)境，也不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，同時(shí)也避免了與切削液相關(guān)的安全和質(zhì)量事故。因此，作為一種綠色制造工藝來(lái)說(shuō)，對(duì)于節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境具有重要意義，隨著與其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，干切削必將成為綠色切削領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。

純粹的干切削有時(shí)候難以實(shí)現(xiàn)于實(shí)際生產(chǎn)中去，故產(chǎn)生了另外一種加工技術(shù)——極微量技術(shù)或最少量油霧潤(rùn)滑技術(shù)（MQL或MM L）。MQL或MML是把極其微量的切削液與壓縮空氣混合并使其油霧化后噴向切削區(qū)域，對(duì)刀具和工件的接觸區(qū)域潤(rùn)滑，這樣減少摩擦，降低溫度，加速排屑，改善加工條件。

3 綠色切削的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工件材料

由于切削時(shí)產(chǎn)生大量的切削熱，容易造成工件熱變形，影響加工精度，因此，工件材質(zhì)的特性是決定該材料是否適合干切削的的關(guān)鍵因素。如熔點(diǎn)較高、熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)較小的材料適合干切削。對(duì)于零件尺寸精度、表面粗糙度要求不高的非封閉式的切削加工，完全可以采用干切削技術(shù)。

3.2 刀具技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)綠色切削，其發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)采用干切削或準(zhǔn)干切削，而干切削很多采用高速干切削技術(shù)，這樣，對(duì)刀具提出了更高的要求。干切削加工時(shí)刀具材料最重要的是具有耐高溫性。如果必須用大的前角的話，高硬度也是必須的。目前適用于干切削加工的刀具材料有PCD、CBN、陶瓷和金屬陶瓷等。

開(kāi)發(fā)干切削刀具，除了正確選用刀具材料和優(yōu)化刀具幾何參數(shù)外，大力發(fā)展刀具涂層具有特別重要的意義。通過(guò)刀具基體上的硬、軟涂層可以彌補(bǔ)由于放棄切削液而失去的某些功能。涂層的功能在于在刀具與切削材料之間筑起一道屏障，以阻攔大部分切削熱向刀體傳導(dǎo)。由于涂層摩擦系數(shù)小，減少了摩擦并由此降低了摩擦熱。刀具涂層成為當(dāng)今干切削與準(zhǔn)干切削中最常用的刀具，基體一般是韌性較好的硬質(zhì)合金，在基體上涂上一層或者多層TiN、TiCN、Ti AlN之類的耐磨硬涂層，起耐熱和隔熱的熱屏障作用。

3.3 切削機(jī)床

綠色切削是在保證產(chǎn)品高質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的無(wú)污染，為了保證產(chǎn)品高質(zhì)量和加工的高效率，高精度的高速機(jī)床是必需品。當(dāng)然對(duì)于不同的切削環(huán)境對(duì)機(jī)床的要求也各不相同。在干切削環(huán)境中，由于不使用切削液，所以產(chǎn)生大量的切削熱沒(méi)有被帶走，因此干切削機(jī)床基礎(chǔ)大件一般采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并盡量用熱膨脹系數(shù)小的材料制成，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)一步采取熱平衡和熱補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

4 結(jié)論

對(duì)于未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，綠色切削將會(huì)成為一個(gè)必然，它不僅節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率，還不會(huì)造成環(huán)境污染。而要實(shí)現(xiàn)綠色切削，同樣要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1）優(yōu)化毛坯形狀、減輕毛坯重量、實(shí)現(xiàn)少無(wú)余量切削；2）研發(fā)新的刀具材料和涂層技術(shù)，改善刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)；3）開(kāi)發(fā)新的綠色切削液技術(shù)，或者研發(fā)其他替代品。雖然現(xiàn)在各方面技術(shù)還不成熟，無(wú)法完全應(yīng)用與實(shí)際生產(chǎn)中，但隨著各方面相關(guān)技術(shù)的發(fā)張，相信綠色切削技術(shù)將會(huì)在不遠(yuǎn)的未來(lái)被成熟應(yīng)用。