綠色加工技術(shù)發(fā)展技術(shù)概述與發(fā)展方向研究

第一節(jié)概述

環(huán)境、資源、人口是當今社會面臨的三大問題。依靠科技進步，實現(xiàn)節(jié)資增效，減少廢物排放，建立生產(chǎn)、消費與環(huán)境、資源相互協(xié)調(diào)的發(fā)展模式已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路。進入21世紀，在制造業(yè)實施綠色制造已勢在必行。切削加工作為制造業(yè)重要而應(yīng)用廣泛的加工方法正面臨新的挑戰(zhàn)，在此背景下，綠色切削加工技術(shù)應(yīng)運而生。什么是綠色加工綠色加工是指在不犧牲產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、可靠性、功能和能量利用率的前提下，充分利用資源，盡量減輕加工過程對環(huán)境產(chǎn)生有害影響的加工過程，其內(nèi)涵是指在加工過程中實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、高效及清潔化。綠色制造GM－GreenManufacturing

環(huán)境意識制造ECM－EnvironmentallyConsciousManufacturing

面向環(huán)境的制造MFE－ManufacturingForEnvironment為何需要綠色加工環(huán)境污染、人身健康、能源危機可持續(xù)發(fā)展的觀點概述綠色加工的內(nèi)涵及目標制造業(yè)在創(chuàng)造了高度發(fā)達的物質(zhì)文明的同時，也造成了嚴重的環(huán)境問題。綠色制造涉及的問題領(lǐng)域包括三部分：一是制造問題，包括產(chǎn)品生命周期全過程；二是環(huán)境保護問題；三是資源優(yōu)化利用問題。綠色制造就是這三部分的交叉和集成。目標：優(yōu)質(zhì)、低耗、高效、清潔化綠色制造的問題領(lǐng)域概述綠色加工的分類根據(jù)綠色加工的追求目標：節(jié)約資源的加工技術(shù)節(jié)約能源的加工技術(shù)環(huán)保型加工技術(shù)根據(jù)采用的加工介質(zhì)不同：自然綠色加工輔助綠色加工綠色加工的研究內(nèi)容節(jié)省資源的加工方法的研究（物質(zhì)流方面）節(jié)省能源的加工方法的研究（能量流方面）少、無污染加工方法的研究（環(huán)保的角度）在實際加工中通過改進加工工藝、工具、環(huán)境來實現(xiàn)概述綠色加工的發(fā)展

綠色加工與綠色制造

1991日本“綠色行業(yè)計劃”

1996SME《GreenManufacturing》1998SME綠色制造的發(fā)展趨勢綠色切削技術(shù)：干切削、少切削液的切削等綠色長成技術(shù)：激光快速成形等

綠色制造自提出以來受到了國內(nèi)外各單位的高度重視，并展開了大量的研究。在國際上，特別是美國在這方面的研究已經(jīng)比較深入。主要研究范圍包括環(huán)境意識機床系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)、廢物流的評價、工藝規(guī)劃方法以及低溫加工、干切削等先進的綠色制造工藝技術(shù)等。部分研究結(jié)論已經(jīng)被開發(fā)成軟件原型系統(tǒng)。2003德國20％采用干切技術(shù)總制造成本1.6％德國干式加工方面的研究和應(yīng)用處于國際領(lǐng)先地位

概述國內(nèi)高校對綠色加工技術(shù)\綠色制造的研究探索：清華大學綠色工程技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展上海交通大學汽車可回收性綠色設(shè)計技術(shù)合肥工業(yè)大學機械產(chǎn)品可回收設(shè)計理論和關(guān)鍵技術(shù)及指標評價體系重慶大學國家自然科學基金和863／CIMS的關(guān)于綠色制造的項目

華中理工大學、浙江大學、北京航空航天大學等高校也開展了綠色制造技術(shù)研究。國內(nèi)已形成了一支從事綠色制造技術(shù)研究的專業(yè)隊伍，為我國發(fā)展綠色制造技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)對鑄造、壓力加工、焊接、切削加工、特種加工、熱處理、覆蓋層、裝配與包裝等九個工藝大類中的若干典型工藝的資源環(huán)境特性進行了研究，并初步建立了綠色制造工藝數(shù)據(jù)庫的原型系統(tǒng)；還對面向綠色制造的工藝規(guī)劃中部分關(guān)鍵技術(shù)，如工藝種類選擇、工藝參數(shù)優(yōu)化、單工件多機床的節(jié)能調(diào)度等進行了初步的研究。我國“十五”期間進行的主要研究內(nèi)容綠色產(chǎn)品設(shè)計評價系統(tǒng)模型的建立綠色產(chǎn)品清潔生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品可拆卸、可回收技術(shù)機電產(chǎn)品噪聲控制技術(shù)面向環(huán)境、面向能源、面向材料的綠色制造技術(shù)概述

綠色加工技術(shù)的發(fā)展方向：

最優(yōu)化綠色機械加工是最小的資源消耗和無環(huán)境污染。它是從整個企業(yè)和社會的綜合成本考慮，對于不同的材料、零部件、設(shè)備經(jīng)過綜合分析，對冷卻方式、冷卻介質(zhì)用量、加工參數(shù)進行優(yōu)化處理，選擇一個最合理的加工方案，使加工時間少，效益高，對環(huán)境無污染，綜合成本最低(這是對整個企業(yè)乃至于整個社會來講，不是僅單純的指具體加工成本最低)。也就是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，綜合考慮各方面的因素，追求企業(yè)甚至社會整體最優(yōu)。

集成化加工過程不應(yīng)是一個孤立的單獨的加工過程，而應(yīng)是考慮到各種因素的集成系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫把其它系統(tǒng)如MIS、綠色設(shè)計系統(tǒng)、質(zhì)量保證系統(tǒng)、物能資源系統(tǒng)等和設(shè)備互聯(lián)起來，實現(xiàn)加工過程中的數(shù)據(jù)交換和信息共享，從而融入到整個企業(yè)集成制造系統(tǒng)里，便于決策。

并行化通過Internet可以將CAD/CAM/CAPP、MIS、ERP、MRP等相連，使得生產(chǎn)產(chǎn)品的每一個步驟當中都考慮到了產(chǎn)品整個生命周期的所有因素，如質(zhì)量、成本、進度計劃、用戶需求、環(huán)境影響、資源消耗狀況等，這是一個并行的加工過程。柔性化企業(yè)必須對市場多樣化需求和外界環(huán)境變化做出動態(tài)響應(yīng)，生產(chǎn)出多樣化的產(chǎn)品，因而在底層加工系統(tǒng)的柔性應(yīng)比較好，可以根據(jù)不同的材料，不同的工件，不同的設(shè)備更換不同的方法，同時綜合成本也是最低的。

概述綠色加工的意義人們在回顧已走過的歷程的同時，都在認真思考應(yīng)該把一個什么樣的地球留給子孫后代。綠色制造/綠色加工是實現(xiàn)生態(tài)工業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的決定性因素與必由之路，它對經(jīng)濟、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要作用，采用綠色制造，使得在產(chǎn)品的整個生命周期過程中，能最大限度地減少對環(huán)境的負面影響，真正做到解決環(huán)境污染、節(jié)約原材料和能源、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境三者之間的協(xié)調(diào)、優(yōu)化的持續(xù)發(fā)展。綠色加工技術(shù)將帶來21世紀制造業(yè)的變革！第二節(jié)綠色加工的基本理論綠色加工的基本特征技術(shù)先進性（實施前提）加工綠色性（最顯著特征）加工經(jīng)濟性（必不可少的條件）最終特征：實現(xiàn)加工整體最優(yōu)化綠色加工的基本程序

5個基本程序:預(yù)審→加工過程評審→綠色加工方案優(yōu)選→方案實施→持續(xù)綠色加工

實施綠色加工的基本程序綠色加工的基本理論核心部分：加工過程評審、綠色加工方案優(yōu)選綠色加工過程評審

綠色加工過程評審是對加工過程的現(xiàn)狀及物流、能流等進行調(diào)查了解、診斷認識的過程。評審時，根據(jù)加工系統(tǒng)特點及其投入、產(chǎn)出關(guān)系，確定企業(yè)加工過程及加工系統(tǒng)中存在的“非綠色部位”。通過對加工過程及加工系統(tǒng)進行深入、客觀的現(xiàn)狀審核、分析研究以及對物料平衡和能流的分析，闡明加工過程及各加工單元的功能狀態(tài)和特性，特別是有關(guān)加工過程中資源利用轉(zhuǎn)化、能源物料消耗、廢物產(chǎn)生排放的現(xiàn)狀及差距。

在加工過程評審的基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)中存在的差距，圍繞加工過程中原材料投入、加工工藝及設(shè)備、生產(chǎn)運行管理、產(chǎn)品和廢物內(nèi)部循環(huán)等環(huán)節(jié)，對可能的節(jié)能、降耗、減污部位進行分析，尋找并確定可削減廢物、提高能效、提高效率、降低成本等潛在因素。這些潛在因素包括：1）原材料替代和復用(或綜合利用)；2）實施技術(shù)革新，對工藝流程設(shè)備進行改造;3）加強運行與維護管理；4）調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；5）產(chǎn)品報廢回用及再生。上述各因素僅表示對加工過程進行優(yōu)化的一種可能性，是制定綠色加工方案時需要考慮的一個方面，因此并不等同于實施綠色加工的具體措施。

綠色加工方案優(yōu)選綠色加工方案的優(yōu)選是按照綠色加工評價方法，對方案的基本特征進行評估綠色加工的基本理論

根據(jù)對方案技術(shù)性、經(jīng)濟性、環(huán)境性的評估結(jié)果，即可推薦可具體實施的加工方案，要求所推選的方案與國內(nèi)外同類方案相比具有先進性，并在本企業(yè)生產(chǎn)中具有適用性和可實施性，可獲得顯著的環(huán)境和經(jīng)濟效益。對于推薦方案應(yīng)編制可行性分析報告，供主管單位組織專家論證。如在評估過程中未找到可行方案，就必須返回重新進行預(yù)審、評審程序。當確定的方案實施完畢后，應(yīng)及時總結(jié)經(jīng)驗，找出缺陷與不足，然后再開始新一輪綠色加工的改進，即實現(xiàn)持續(xù)綠色加工。綠色加工的基本理論實現(xiàn)綠色加工的主要途徑

按照實施綠色加工的基本程序，確定了機械加工過程和加工系統(tǒng)中的“非綠色部位”，就可以按照選定方案實施綠色機械加工。實施綠色機械加工的主要途徑為網(wǎng)絡(luò)化、信息化、柔性化。網(wǎng)絡(luò)化制造的網(wǎng)絡(luò)化，特別是基于Internet/Intranet的制造已成為重要的發(fā)展趨勢。作為機械制造重要基礎(chǔ)的綠色加工也需要大力推進網(wǎng)絡(luò)化，通過企業(yè)局域網(wǎng)將各個分散的加工中心、數(shù)控設(shè)備等聯(lián)接起來，可便于機械加工控制中心對整個加工進程進行總體監(jiān)控，同時還可與企業(yè)中的工程設(shè)計系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)等各子系統(tǒng)實現(xiàn)集成，便于優(yōu)化決策。信息化綠色加工的追求目標是實現(xiàn)整體最優(yōu)化加工，即從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，全面考慮企業(yè)和整個社會的綜合成本，綜合分析不同的材料、零部件、設(shè)備等加工因素，優(yōu)化選擇冷卻方式、冷卻介質(zhì)及用量、加工參數(shù)等，確定最合理的加工方案，以實現(xiàn)加工時間少、生產(chǎn)效益高、環(huán)境污染小、綜合成本低的目標。信息化是實施綠色加工的關(guān)鍵要素及有效手段。為實現(xiàn)整體最優(yōu)化加工，需要建立加工設(shè)備、切削刀具、切削液、切削用量、工件材料、環(huán)境、能源等相關(guān)資料的機械加工數(shù)據(jù)庫，采用有限元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等先進技術(shù)對各種綠色加工方法(如高速切削、干切削、硬切削、MQL等)進行建模、仿真、虛擬加工和決策，并通過Intranet與企業(yè)的其它數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)互聯(lián)共享,實現(xiàn)并行設(shè)計與生產(chǎn)。綠色加工的基本理論柔性化現(xiàn)代生產(chǎn)方式已由大批量!單一品種生產(chǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾∨?多品種生產(chǎn),要求生產(chǎn)企業(yè)能夠根據(jù)市場變化作出敏捷反應(yīng),快速適應(yīng)市場需求"綠色機械加工的柔性包括機器柔性!工藝柔性!運行柔性和擴展柔性"加工系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)快速重構(gòu),對新產(chǎn)品開發(fā)及產(chǎn)品更新?lián)Q代具有快速響應(yīng)能力,以最小成本和最短時間適應(yīng)加工任務(wù)及環(huán)境的變化"綠色加工的基本理論綠色加工工藝從節(jié)約資源的工藝技術(shù)方面來說，在機械加工中，綠色加工工藝技術(shù)主要應(yīng)用在少無切屑加工技術(shù)、干式加工技術(shù)、新型特種加工技術(shù)三個方面。在機械加工中，綠色加工工藝技術(shù)主要是在切削和磨削上采用干切削和干磨削的方法來進行加工。常規(guī)的加工方法例如車削、銑削、磨削等，都需要切削液來幫助加工，切削液在加工中的作用主要有冷卻、潤滑、排屑和清洗的作用。干式加工是在加工過程中不采用切削液的一種加工方法。由于在加工過程中不采用切削液，所以可獲得潔凈無污染的切屑，省去了切削液及其處理的大量費用。綠色加工工藝技術(shù)綠色加工的基本理論綠色加工的關(guān)鍵技術(shù)綠色機械加工技術(shù)主要從選材、生產(chǎn)加工方法、加工設(shè)備三方面來實現(xiàn)。材料選擇材料選擇包括產(chǎn)品材料和輔助材料的選擇，應(yīng)立足于減少不可再生資源和短缺資源的使用量，且應(yīng)符合易加工、低耗能、少污染、可回收的原則。綠色加工關(guān)鍵技術(shù)綠色加工的基本理論綠色生產(chǎn)相對于真正的綠色生產(chǎn)技術(shù)而言，這里所提到的綠色生產(chǎn)僅僅指生產(chǎn)加工過程。在這一環(huán)節(jié)，要想為綠色制造做出貢獻，需從綠色制造工藝技術(shù)、綠色制造工藝設(shè)備與裝備等入手。在實質(zhì)性的機械加工中，在鑄造、鍛造沖壓、焊接、熱處理、表面保護等過程中都可以實行綠色制造工藝。具體可以從以下幾方面入手：改進工藝，提高產(chǎn)品合格率；采用合理工藝，簡化產(chǎn)品加工流程，減少加工工序，謀求生產(chǎn)過程的廢料最少化，避免不安全因素；減少產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的污染物排放，如減少切削液的使用等。目前多通過干式切削技術(shù)來實現(xiàn)這一目標。加工設(shè)備

1、刀具技術(shù)干式加工對刀具材料要求很高，它要求材料要具有很高的紅硬性和熱韌性，良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性，在對刀具的幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要滿足干切削對斷屑和排屑的要求。對韌性材料的加工來說，斷屑是很關(guān)鍵的，目前車刀三維曲面斷屑槽方面的設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量很快設(shè)計出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，并能大大提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。刀具材料的發(fā)展使刀片可承受更高的溫度，減少了對潤滑的要求；真空或噴氣系統(tǒng)可以改善排屑條件；復雜刀具的制造可解決封閉空間的排屑問題等。綠色加工的基本理論2、機床技術(shù)我國是擁有機床最多的國家，但我國機床技術(shù)落后，特別是數(shù)控、高效和自動化機床的占有率低，而干式加工技術(shù)的出現(xiàn)給機床設(shè)備提出了更高的要求。干式加工在切削區(qū)域會產(chǎn)生大量的切削熱，如果不及時散熱，會使機床受熱不均而產(chǎn)生熱變形，這個熱變形就成為影響工件加工精度的一個重要因素，因此機床應(yīng)配置循環(huán)冷卻系統(tǒng)，帶走切削熱量，并在結(jié)構(gòu)上有良好的隔熱措施。實驗表明，干式切削理想的條件應(yīng)該是在高速切削條件下進行，這樣可以減少傳到工件刀具和機床上的熱量。干切削時產(chǎn)生的切屑是干燥的，這樣可以盡可能的將干切削機床設(shè)計成立軸和傾斜式床身。工作臺上的傾斜蓋板用絕熱材料制成，在機床上配置過濾系統(tǒng)排出灰塵，對機床主要部位進行隔離。

3、輔助設(shè)備技術(shù)輔助設(shè)備作為制造系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)，它的綠色化程度，對整個制造過程的綠色化水平有著極為重要的影響，甚至是關(guān)鍵性的影響。因此，人類在實現(xiàn)制造技術(shù)綠色化的征途上，輔助設(shè)備的綠色化是無法回避的。輔助設(shè)備包括工裝夾具、量具等，夾具又分為通用夾具和專用夾具，其綠色技術(shù)主要體現(xiàn)在選用時盡量滿足低成本、低能耗、少污染、可回收的原則。第三節(jié)綠色加工的評價體系確定評價指標體系是進行綠色加工評價的首要問題評價體系（目標）傳統(tǒng)加工：加工時間T(Time)

加工質(zhì)量Q(Quality)

加工成本C(Cost)

綠色加工：加工時間T(Time)

加工質(zhì)量Q(Quality)

加工成本C(Cost)

資源消耗R(Resource)

環(huán)境影響E(Environment)··綠色加工的評價體系

綠色加工在追求TQC的基礎(chǔ)上，強調(diào)盡可能少地消耗資源R(這里的R主要指物料、設(shè)備資源和能源)和盡可能少地影響環(huán)境E，即形成綠色加工規(guī)劃的T、Q、C、R、E的評價目標。綠色加工的評價目標綠色加工的評價體系

各目標本身包括復雜的組成部分，可以用一個向量組表示：

T(t1，t2，…….，tt)Q(q1，q2，……，qq)C(c1，c2，……，cc)R(r1，r2，……，rr)E(e1，e2，……，er)

綠色加工包括五大方面的目標，而每一個目標又包含多個指標，通過對加工工藝的分析研究，就可以得出綠色加工的評價指標體系綠色加工的評價體系

綠色加工的評價指標體系第四節(jié)綠色加工的應(yīng)用技術(shù)

傳統(tǒng)的切削與磨削加工中，切削液幾乎是不可少的，它對保證精度、提高表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率有重要作用。前面也提到，隨著人們的環(huán)境保護意識的增強以及環(huán)保法律法規(guī)的要求日趨嚴格，切削液的負面影響愈加被人們所重視，如污染環(huán)境、危害操作者身體健康、切削液的供給和管理費用高、切削液中的添加劑會造成零件的質(zhì)量事故等。切削過程的研究亦表明，切削液具備的冷卻潤滑、和排屑等作用沒有得到充分有效的發(fā)揮。因此，人們正試圖少使用或不使用切削液，以適應(yīng)21世紀清潔生產(chǎn)和降低成本的要求。因而產(chǎn)生了一系列的綠色加工應(yīng)用技術(shù)。綠色加工的應(yīng)用技術(shù)綠色加工技術(shù)從使用冷卻液的情況可以分為一下幾種：無冷卻液機械加工微量冷卻機械加工高壓水射流切割其它綠色加工無冷卻液機械加工干切技術(shù)目前切削加工工藝的綠色化主要集中在不使用切削液，這是因為使用切削液會耗費大量的切削液和電能，日本一年耗費的切削液就達8億升，而使用切削液所耗費的能量大約占整個機械制造工廠能量的1/10；切削液和切屑的處理費用高，目前與切削液相關(guān)的費用已占零件加工成本的14％～17％，若排出未經(jīng)處理的切削液則會污染周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境；會直接污染車間環(huán)境和危害工人健康，切削液受熱揮發(fā)易形成煙霧和產(chǎn)生異味，特別是極壓添加劑所含硫、磷、氯等化學元素在切削過程中形成的物質(zhì)會引發(fā)多種疾病。

然而，不使用切削液的干切削并不能簡單實現(xiàn)，因為切削液起著三個重要作用：1）吸收和帶走大量切削熱，使傳入刀具和工件的切削熱非常少；2）在刀具與工件以及刀具與切屑接觸界面上形成潤滑膜，既減少摩擦又抑制切屑粘連到刀具上；3）把切屑迅速沖走。最近十幾年興起的干切削技術(shù)，就是要在沒有切削液的條件下創(chuàng)造與濕切削相同或近似的切削條件，這涉及刀具、機床、工件、加工方式與切削參數(shù)等多方面。干切削技術(shù)是一項龐大的系統(tǒng)工程，需要從刀具技術(shù)、機床結(jié)構(gòu)和工藝過程等各方面采取一系列的措施。無冷卻液機械加工干切削技術(shù)研究的現(xiàn)狀

干切削技術(shù)是為適應(yīng)全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略而發(fā)展起來的一項綠色切削加工技術(shù)。

1995年正式確立干切削的科學意義

1997年德國F.Klocke教授“干切削”的主題報告

1999年博士美國干切削發(fā)展的主題報告干切削技術(shù)已經(jīng)在各國工業(yè)界和學術(shù)界引起廣泛的關(guān)注。目前包括歐洲、美國和日本等工業(yè)發(fā)達國家，非常重視干切削的研究。德國處于領(lǐng)先地位。我國干切削技術(shù)的研究也已起步，但在干切削理論研究方面和國外還存在較大的差距，在工業(yè)中的應(yīng)用規(guī)模更小。干切加工的刀具設(shè)計干式切削刀具時，不僅要選擇適用的刀具材料和采用的涂層，而且應(yīng)當綜合考慮刀具材料、刀具涂層和刀具幾何形狀之間的相互兼顧和優(yōu)化。不同的切削加工方式對刀具設(shè)計提出了不同要求，干式切削刀具必須滿足以下條件:1)刀具材料應(yīng)具有良好的耐熱性和耐磨性;2)切屑與刀具之間的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能小;3)刀具的槽型應(yīng)保證排屑流暢、易于散熱;4)刀具應(yīng)具有較高的強度和抗沖擊韌性。下面分別從刀具材料、涂層和幾何形狀三個方面討論。無冷卻液機械加工1、采用新型的刀具材料近十幾年，高硬度材料的出現(xiàn)，為干式切削提供了可能。干切削不僅要求刀具材料具有極高的紅硬性和熱韌性，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性。目前應(yīng)用于干式切削加工的刀具材料主要是:超細硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石等超硬度材料無冷卻液機械加工超細硬質(zhì)合金可以提高普通硬質(zhì)合金的韌性，具有很好的耐磨性和耐高溫性，可制作大前角的深孔鉆頭和刀片，用于銑削和鉆削的干式加工。陶瓷刀具(Al203,Si3N4、金屬陶瓷(Cennet)等材料的硬度在高溫下也很少降低，即具有很好的紅硬性，因此很適合于一般目的的干切削而無須冷卻液。但是這類材料一般較脆，即熱韌性不好，故不適用于進行斷續(xù)切削。也就是說，陶瓷刀具較適合用于進行干車削而不適用于干銑削。立方氮化硼(CBN)材料的硬度很高，達HV3200～HV4000，僅次于金剛石，熱傳導率好，達1300W/MK，具有良好的高溫化學穩(wěn)定性，在1200℃下熱穩(wěn)定性很好。采用CBN刀具加工鑄鐵，可大大提高切削速度，用于加工淬火鋼，可以以車削代替磨削。聚晶金剛石(PCD)刀具硬度非常高，可達HV7000～HV8000，熱導率可達2100W/MK，線膨脹系數(shù)小。PCD刀具切削時產(chǎn)生的熱能可以很快從刀尖傳遞到刀體，從而減少刀具熱變形引起的加工誤差。PCD刀具比較適用于干式加工銅、鋁及鋁合金工件。但在溫度高于700度以上時易出現(xiàn)炭化現(xiàn)象。無冷卻液機械加工2、采用涂層技術(shù)對刀具進行涂層處理，是提高刀具性能的重要途徑。近十年來，刀具涂層技術(shù)發(fā)展非常迅速，涂層材料多達15種，有的刀具在刀體上的涂層多達13層。涂層工藝也越來越成熟，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已解決了涂層與基體材料結(jié)合強度低的技術(shù)難題。涂層刀具分兩大類:

一類是“硬”涂層刀具，如TiN,TIC和Al203等涂層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂層刀具抗后刀面磨損的能力特別強，而TiN涂層刀具則有較高的抗“月牙洼”磨損能力。

另一類是“軟”涂層刀具，如:MOS2,WS等涂層刀具。這類涂層刀具也稱為“自潤滑刀具”，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01左右，能有效減少切削力和降低切削溫度。例如瑞士開發(fā)的“MOVIC”涂層絲錐，刀具表面涂覆有一層MOS2。切削實驗表明:未涂層絲錐只能加工20個螺孔;用TiAlN涂層絲錐時可加工1000個螺孔，而MoS2涂層的絲錐可加工4000個螺孔。高速鋼和硬質(zhì)合金經(jīng)過PVD涂層處理后，可以用于干切削。原來只適用于進行鑄鐵干切削的CBN刀具，在經(jīng)過涂層處理后也可用來加工鋼、鋁合金和其他超硬合金。無冷卻液機械加工

實際上，涂層有類似于冷卻液的功能，它產(chǎn)生一層保護層，把刀具與切削熱隔離開來，使熱量很少傳到刀具，從而能在較長的時間內(nèi)保持刀尖的堅硬和鋒利。表面光滑的涂層還可以減少摩擦來降低切削熱，保持刀具材料不受化學反應(yīng)的作用，因為在大多數(shù)高速干切削中，高溫對化學反應(yīng)有很大的催化作用。TiAlN涂層和Mo2軟涂層還可交替涂覆，形成一個多涂層刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系數(shù)小、切屑易流出的優(yōu)點，有優(yōu)良的替代冷卻液的功能。在干切削技術(shù)中，刀具涂層發(fā)揮著非常重要的作用。

美國學者開發(fā)的納米涂層(Nanocoatings)刀具，可采用多種材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求。納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加，具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能。無冷卻液機械加工

3、刀具幾何形狀設(shè)計干切削刀具通常以月牙洼磨損為主要失效原因，這是因為加工中沒有切削液，刀具和切屑接觸區(qū)域的溫度升高所致。因此，通常應(yīng)使刀具有大的前角和刃傾角，但前角增大后，刀刃強度會受影響，此時應(yīng)配以適宜的負倒棱或前刀面加強單元，這樣使刀尖和刃口會有足夠體積的材料和較合理的方式承受切削熱和切削力，同時減輕了沖擊和月牙洼擴展對刀具的不利影響，使刀尖和刃口可在較長的切削時間里保持足夠的結(jié)構(gòu)強度。

目前為止，國外已開發(fā)了許多大前角車削刀片(如美國Carboloy公司推出的一種ME-13新型硬質(zhì)合金刀片上的前角達34°)和帶正前角的螺旋形刀刃銑削刀片(這種刀片沿切削刃幾乎有恒定不變的前角，背前角或側(cè)前角可由負變正或由小變大)，旨在減少機床的驅(qū)動功率，并通過減小切削力，降低切削溫度來滿足干切削時對刀具的要求。日本三菱金屬公司開發(fā)出一種適用于干切削的“回轉(zhuǎn)型車刀”，該刀具采用圓形超硬刀片，刀片的支持部分裝有軸承，在加工中刀片能自動回轉(zhuǎn)，使切削刃始終保持鋒利，具有工效高、加工質(zhì)量好、刀具壽命長等特點。

無冷卻液機械加工

下圖是一種熱管式刀具也可以獲得較理想的干切削效果。它們的結(jié)構(gòu)與普通車刀基本相同，所不同的是在刀桿體內(nèi)部制成了熱管。熱管內(nèi)的工作介質(zhì)一般為丙酮、乙醇和蒸溜水三種。熱管是一種高效的傳熱元件，它利用的是沸騰吸熱和冷凝放熱這兩個最強的傳熱機理，熱管的熱導率是相當?shù)你y、銅棒的幾百倍。熱管刀具是一種自冷卻刀具，故無需再從外部澆注切削液，尤其適合于在數(shù)控機床、加工中心和自動生產(chǎn)線上應(yīng)用。熱管式刀具結(jié)構(gòu)無冷卻液機械加工對刀具的一些研究成果日本住友電氣工業(yè)公司開發(fā)了能以較高速度對淬硬鋼進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適用于淬硬鋼的高速連續(xù)干切削。對軸的外徑加工實例表明，與陶瓷刀具相比，BNX10可獲得較高的加工表面光潔度和穩(wěn)定的尺寸精度，且刀具的壽命大大提高。住硼磨料BNX25通過優(yōu)化CBN粒度及含有率，以及采用特殊陶瓷材料作為結(jié)合相，提高了耐缺損性和耐月牙洼磨耗性，適用于淬硬鋼的高速斷續(xù)切削加工。對套筒材料外徑的高速切削加工實例表明，與以往的刀具材料相比，在高速切削的條件下使用BNX25刀具的壽命也有所提高。

鄧建新等人以TiB2為添加劑、Al203為基體，研制了Al203/TiB2陶瓷刀具材料。用該陶瓷刀具對淬硬鋼進行高速干切削試驗，結(jié)果表明，當切削速度大于12Om/min時，刀具開始表現(xiàn)出高溫自潤滑性能，自潤滑膜的組成為Al203/TiBz陶瓷刀具中TiB2的氧化物，它能在刀具表面起到固體潤滑劑的作用，進而降低前刀面的摩擦，減輕刀具的粘著磨損，提高刀具的耐磨性能，具有良好的減摩和抗磨作用。

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楊海東等人利用YT15基體的氮化碳薄膜涂層刀具干車削硅鋁合金，試驗結(jié)果表明，刀尖積屑瘤非常小，工件表面粗糙度值較小，刀具的使用壽命遠高于硬質(zhì)合金。干切加工的機床

干切削不但對刀具要求很高，也對機床的排屑、防塵和熱特性提出較高要求。干切削機床最好采用立式布局，至少床身應(yīng)是傾斜的，理想的加工方式是工件在上、刀具在下，并在一些滑動導軌副上方設(shè)置可伸縮角形蓋板，工作臺上的傾斜蓋板可用絕熱材料制成，總的原則是盡可能依靠重力排屑。干切削易出現(xiàn)金屬懸浮顆粒，故機床常加裝真空吸塵裝置和對關(guān)鍵部位進行密封。干切削機床的基礎(chǔ)大件要采用熱對稱結(jié)構(gòu)并盡量由熱膨脹系數(shù)小的材料制成，必要時還應(yīng)進一步采取熱平衡和熱補償?shù)却胧o冷卻液機械加工干切削加工的工藝技術(shù)

干切削時切削區(qū)的溫度明顯高于濕切削，所以在不少情況下干切削加工比濕切削加工時的切削用量要小。不過，在高速切削條件下，95%的切削熱將被切屑帶走，切削力也可降低30%，所以高速切削也是干和準干切削的發(fā)展方向之一。當然，干和準干切削采用的切削用量還要根據(jù)具體加工條件進行優(yōu)選。

在高速干切削方面，美國Makino公司提出“紅月牙”(RedCrescent)干切工藝。其機理是由于切削速度很高，產(chǎn)生的熱量聚集于刀具前部，使切削區(qū)附近工件材料達到紅熱狀態(tài)，導致屈服強度明顯下降，從而提高材料去除率。實現(xiàn)“紅月牙”干切工藝的關(guān)鍵在刀具，目前主要采用PCBN和陶瓷等刀具來實現(xiàn)這種工藝，如用PCBN刀具干車削鑄鐵車盤時切速已達到1000m/min。當然，選用什么刀具材料還要視工件材料而定。雖然上述PCBN很適合進行高速干切削，但主要是對高硬度黑色金屬和表面熱噴涂的硬質(zhì)工件材料進行干切削，由于CBN與鐵素體有親和性，故不宜用于低硬度(HRC45以下)工件的加工。又如金剛石刀具的碳與鐵元素有很強的化學親和力，故不能用來加工黑色金屬。無冷卻液機械加工

干切削的難易程度與加工方法和工件材料的組合密切相關(guān)。從實際情況看，車削、銑削、滾齒等加工應(yīng)用干切削較多，因為這些加工方法切削刃外露，切屑能很快離開切削區(qū)。而封閉式的鉆削、鉸削等加工，干切削就相對困難一些，不過目前已有不少此類孔加工刀具出售，比如德國Titex公司可提供適用于干切削的特殊鉆頭Alpa22，其鉆深與直徑之比達到7～8。就工件材料而言，鑄鐵由于熔點高和熱擴散系數(shù)小，最適合進行干切削，鋼的干切削特別是高合金鋼的干切削較困難，這方面曾進行大量試驗研究并已取得重大進展。鋁及鋁合金雖然是難于進行干切削的材料，但通過采用MQL潤滑的準干高速切削，在解決切屑與刀具粘連及鋁件熱變形方面獲得突破，實際生產(chǎn)中已有加工鋁合金零件的準干切削生產(chǎn)線在運行。對于難加工材料，則有使用激光輔助進行干切削的。無冷卻液機械加工在特殊氣體氛圍中進行干切削

干切削一般是在大氣氛圍中進行，但也包括在特殊氣體氛圍中(氮氣中、冷風中或采用干式靜電冷卻技術(shù))不使用切削液進行的切削。試驗表明，在某些特殊氣體氛圍中進行干切削加工，有利于減少刀具磨損，從而發(fā)展成為干切削技術(shù)的另一分支。

A.在氮氣氛圍中進行干切削（吹氮加工）氮氣占空氣的79%，吹氮加工使用的氮氣可借助氮氣生成裝置除去空氣中的氧、水份和CO2而獲得，然后經(jīng)由噴嘴吹向切削區(qū)。氮氣是不燃性氣體，如果切削加工在氮氣氛圍中進行自然不會起火，這對干切削加工具有易燃性的鎂合金很有意義(濕切削加工時鎂屑處理是個難題)。更重要的是氮氣氛圍抑制刀具的氧化磨損，可保護刀具涂層和防止切屑粘連到刀具，能提高刀具的耐用度。日本人曾經(jīng)作過吹氮加工和其它加工方式端銑碳鋼的對比試驗，發(fā)現(xiàn)吹氮加工的刀具磨損，特別是后刀面磨損比干切削(或者吹空氣)加工時低得多。

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B.干式靜電冷卻技術(shù)這是原蘇聯(lián)在上世紀80年代發(fā)明的干切削技術(shù)，其基本原理是通過電離器將壓縮空氣離子化、臭氧化(所消耗的功率不超過25W)，然后經(jīng)由噴嘴送至切削區(qū)，在切削點周圍形成特殊氣體氛圍。這樣不僅降低切削區(qū)的溫度，更重要的是能在刀具與切屑和刀具與工件接觸面上形成起潤滑作用的氧化薄膜，并使被加工表面呈壓縮壓力(可增加零件使用壽命)。俄羅斯羅士技術(shù)公司曾對此作大量試驗，發(fā)現(xiàn)在多數(shù)情況下，采用干式靜電冷卻技術(shù)的刀具壽命與濕切削相當或超過，在少數(shù)情況下，也能達到濕切削時刀具壽命的。據(jù)介紹，目前在俄羅斯的國防和汽車企業(yè)中，大約已有5,000臺使用此項技術(shù)的機床。

C.冷風干切削冷風切削加工的簡單工作原理和設(shè)計方案是：讓低溫冷風射流機生成的干燥低溫冷風（-30℃～-50℃）（或混入非常微量的植物油），并噴射到切削點，對刀具的前、后刀面實施冷卻、潤滑和排屑以降低切削溫升，同時引發(fā)被加工材料的低溫脆性，使切削過程較為容易，并相應(yīng)改善刀具磨損狀況。該系統(tǒng)主要由：空氣壓縮機、低溫冷風射流機、微量油霧化器、噴射器、刀具等機構(gòu)組成。無冷卻液機械加工高速干切削：新型的綠色加工技術(shù)高速干切削的出現(xiàn)與高速切削和干切削有密切關(guān)系。高速切削具有切削效率高、切削力小、加工精度高、切削熱集中、加工過程穩(wěn)定以及可以加工各種難加工材料等特點。隨著高速機床、加工中心的不斷發(fā)展，切削速度和切削功率急劇提高，使得單位時間內(nèi)的金屬切除量大大增加，機床的切削液用量也越來越大。但高速切削時切削液實際上很難到達切削區(qū)，大量的切削液根本起不到實際的冷卻作用。這不僅增加了制造成本，還加重了切削液對資源、環(huán)境等方面的負面影響。

與高速切削相比，由于干切削在加工過程中不用（或微量使用）切削液，是一種對環(huán)境污染源頭進行控制的清潔制造工藝。干切削作為一種新型的綠色制造技術(shù)，不僅環(huán)境污染小，而且能大幅度降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。作為一種環(huán)境效益和經(jīng)濟效益俱佳的切削技術(shù)，干切削已成為目前綠色制造工藝研究的一個熱點，并已在車、銑、鉆、鉸、鏜削等加工中得到了成功應(yīng)用。

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高速干切削技術(shù)是在高速切削技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合干切削技術(shù)或微量切削液的準干切削技術(shù)，將高速切削與干切削技術(shù)有機地融合，結(jié)合兩者的優(yōu)點，并對它們的不足進行了有效補償?shù)囊豁椥屡d先進制造技術(shù)。切削技術(shù)、刀具材料和刀具設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，使高速干切削的實施成為可能。采用高速干切削技術(shù)可以獲得高效率、高精度、高柔性，同時又限制使用切削液，消除了切削液帶來的負面影響，因此是符合可持續(xù)發(fā)展要求的綠色制造技術(shù)

高速干切削技術(shù)有以下特點：

生產(chǎn)效率高。高速干切削的切削速度遠高于常規(guī)切削。目前在實際生產(chǎn)中高速切削鋁合金的速度范圍為1500～5500m/min，鑄鐵為750～4500m/min，普通鋼為600～800m/min。切削進給速度已高達20～40m/min。而且，高速切削技術(shù)還在不斷發(fā)展。采用高速切削技術(shù)能使整體加工效率提高幾倍乃至十幾倍。傳統(tǒng)的切削加工方式為"重切削"方式，每一刀切削排屑量大（切削深度大，但進給速度低）；而高速干切削為"輕切削"方式，采用小吃刀深度、高主軸轉(zhuǎn)速和高進給速度，每一刀切削排屑量小，切削深度小，但切削線速度大，進給速度高，這樣可顯著提高工件材料切除率，切削效率高。無冷卻液機械加工

加工質(zhì)量好。干切削是依靠刀具涂層起到潤滑減摩作用，無論切削速度多高，涂層的前后刀面都始終在接觸區(qū)內(nèi)，所以，高速切削時更容易顯示出干切削的優(yōu)勢。盡管干式切削由于缺少切削液的潤滑、冷卻、沖洗和排屑斷屑作用，會導致刀具與工件、切屑之間的摩擦加劇，切削力增大，切屑變形加劇，切削熱急劇增加，切削區(qū)溫度顯著升高，刀具耐用度降低，工件加工質(zhì)量不易保證。但可通過分析干切削的各種特定條件和影響干切削的各種因素，尋求相應(yīng)的技術(shù)解決方案及措施來彌補不使用切削液所造成的上述缺陷。如針對不同的工件材料和切削用量設(shè)計刀具結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和相應(yīng)的斷屑槽形，以滿足干切削的加工要求；某些刀具涂層材料具有類似切削液的功能，可隔離切削熱，在較長時間內(nèi)保持刀尖硬度和鋒利性，使刀具材料不易發(fā)生化學反應(yīng)等。應(yīng)用這些措施來保證干切削的加工質(zhì)量，使干切削加工順利進行，達到甚至超過濕切削時的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具耐用度。

生產(chǎn)成本低。濕切削加工中切削液的使用成本太高。德國汽車制造業(yè)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，把切削液的費用和有關(guān)設(shè)備費、能耗費、處理費、人工費、維修費、材料費加在一起達到全部制造費用的7%～17%，而全部刀具費用僅為總制造費的2%～4%，可見使用切削液的成本已數(shù)倍于刀具費用。同時，由于排放的切削液和帶有切削液的固體物被當作有毒材料進行處理，大大增加了切削液的供給、保養(yǎng)和回收處理成本，在與切削液有關(guān)的總費用中回收處理費用高達22％。而采用高速干切削技術(shù)后由于不使用或使用最少量的切削液，加工的成本就會大幅度降低。無冷卻液機械加工

另一方面，由于在高速干切削過程中，大部分的切削熱被切屑和刀具承載，切屑被快速處理掉，而刀具卻持續(xù)承受切削熱和切削力。因此，高速干切削對刀具材料和工藝的要求很高（要求刀具有很高的紅硬性和高溫穩(wěn)定性），使刀具的成本相應(yīng)有所提高。此外，在大多數(shù)情況下，高速干切削刀具都是針對某種材料的具體工藝要求專門設(shè)計制作的，這就需要在刀具設(shè)計中融入高效冷卻手段或進行刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的獨特設(shè)計（如在切削發(fā)熱嚴重時，刀具前刀面可加一個液氮循環(huán)冷卻裝置），這在一定程度上也增加了刀具的成本。

綜上所述，盡管高速干切削加工的刀具和機床成本有所增加，但由于節(jié)省了大量的切削液成本，而且切削速度提高、切削時間變短、設(shè)備利用率提高，使得綜合生產(chǎn)成本大幅度下降。發(fā)展高速干切削的關(guān)鍵技術(shù)同樣體現(xiàn)在以下方面：

一是刀具技術(shù)。包括刀具涂層技術(shù)、刀具材料技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的設(shè)計、可靠的刀具監(jiān)測裝置等二是機床技術(shù)。設(shè)計高速干切削機床時要考慮的特殊問題主要有：設(shè)計和制造高速度、大功率的主軸單元、進給單元和輔助裝置；切削熱的散發(fā)；切屑和灰塵的排出等。

無冷卻液機械加工采用低溫冷卻氣對刀具降溫

目前干式干式切削技術(shù)還不完善，往往還需要輔助壓縮空氣（液氮等）、冷卻氣降溫，有時候還會用到少量潤滑油或噴霧潤滑。但是我們有理由相信，隨著干式切削的快速發(fā)展，必然會帶動刀具的不斷革新，在不久的將來會涌現(xiàn)出更多新技術(shù)、新設(shè)計、新材料的刀具。

液氮冷卻切削主要有兩種應(yīng)用形式，一種是利用瓶裝壓力將液氮像切削液一樣直接噴射到切削區(qū)；另一種是利用液氮受熱蒸發(fā)循環(huán)來間接冷卻刀具或工件。氮氣是大氣中含量最多的成分，氮氣作為制氧工業(yè)的副產(chǎn)品，資源十分豐富，由于液氮使用后直接揮發(fā)成氣體返回大氣中，因此不會留下任何污染。

目前低溫切削加工主要應(yīng)用于鈦合金、高錳鋼、淬硬鋼等難加工材料的加工中。KPRaijurkar采用H13A硬質(zhì)合金刀具、并用液氮循環(huán)冷卻刀具的方法對鈦合金進行了低溫切削加工試驗，試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的切削方法相比，刀具磨損明顯減少，切削溫度降低30％，工件表面加工質(zhì)量得到很大改善。萬光民采用間接冷卻方法對高錳鋼進行了低溫切削加工試驗，結(jié)果表明，采用間接冷卻方法低溫加工高錳鋼時，刀具所受沖擊力減少，刀具磨損減小，加工硬化現(xiàn)象得到改善，工件表面質(zhì)量也有所提高。王連鵬等人采用液氮噴淋的方法在數(shù)控機床上低溫切削加工45淬硬鋼，試驗結(jié)果表明，采用液氮噴淋式低溫加工45淬硬鋼可以提高刀具耐用度，改善工件表面質(zhì)量。

冷卻氣降溫是國內(nèi)近幾年新興的刀具降溫方式，也稱作干式冷卻。它通過渦旋管(vortex

tube)將常溫下的壓縮空氣降低到零下10～20℃之間。由一個單頭、多頭或扁平萬象管輸送冷空氣直接吹向刀具和工件的接觸表面，降低溫度，減少熱沖擊?；蚧烊胛⒘康闹参镄詽櫥瑒?每小時10～20ml)，從而起到降溫、排屑、潤滑的作用。

低溫冷風切削與傳統(tǒng)切削相比，能夠提高加工效率，改善工件表面質(zhì)量，而且對環(huán)境幾乎無污染。日本安田工業(yè)公司的加工中心采用在電機軸、刀桿軸的中心插入絕熱風管的結(jié)構(gòu)，使用一30℃的低溫冷風直接通向刀刃。該結(jié)構(gòu)大大改善了切削條件，有利于低溫冷風切削加工工藝的實施。橫川和彥對車削和銑削中的冷風冷卻進行了研究。在銑削試驗中，分別采用水基切削液、常溫風(+10℃)和冷風(一30℃)三種條件進行比較，結(jié)果表明，采用冷風切削時刀具耐用度顯著提高。在車削試驗中，冷風(一20℃)切削時刀具磨損率比常溫風(+20℃)切削時顯著下降。

采用低溫冷卻氣對刀具降溫

渦旋管的工作方式類似于龍卷風，壓縮空氣(0.55～0.69MPa)經(jīng)過發(fā)生器的螺旋口進入渦旋管的腔體內(nèi)，形成1000000r/min的高速渦旋氣流流向尾端。此過程中釋放出巨大的熱能，使腔體表面溫度急劇升高。到達尾端的渦旋氣流經(jīng)過錐形排氣閥，排出少量的壓縮空氣并帶走大量的熱量。剩余的渦旋氣流沿排氣閥的錐形表面調(diào)轉(zhuǎn)180°由腔體另一端流出，此時的渦旋氣流因為已經(jīng)釋放出了大量熱能，自身溫度非常低，通常能下降到-10℃左右。而在實驗室環(huán)境中最低溫度能下降到-46℃的低溫，是局部降溫的最佳方式。渦旋管工作原理示意圖渦旋管生產(chǎn)-10℃低溫氣體，表面結(jié)冰

法國物理學者George

Ranque在1928年一次實驗中偶然發(fā)現(xiàn)他正在試驗的渦流式泵一端排出熱空氣而另一端排出的是冷空氣。這立刻讓Ranque產(chǎn)生了濃厚的興趣，并試圖制造出第一個渦旋管，可惜Ranque的努力失敗了。這也使得渦流管的真正問世延后到1945年，德國物理學家Rudolph

Hilsch發(fā)表了一篇受人矚目的關(guān)于渦流管的科學報告。此后，歷經(jīng)理論和實踐的不斷更新完善，渦流管逐漸成為工業(yè)制冷的新工具，并迅速在歐美工業(yè)強國廣泛使用。渦旋管的應(yīng)用也不斷創(chuàng)新，推出了冷卻槍用于機床行業(yè)刀具降溫和機箱冷卻器用于高溫控制柜降溫。配備過濾器和消音器的機箱冷卻器干式切削加工的應(yīng)用

由于采用干式切削有利于環(huán)境保護和降低加工成本(可節(jié)省加工費用10％～15％)，因此干式切削加工技術(shù)的研究開發(fā)日益受到重視，目前歐洲約10％～15％的批量機械加工已采用干式或準干式切削技術(shù)。從加工方法上看，車削、銑削、滾齒等加工應(yīng)用干切削較多。日本堅藤鐵工所用開發(fā)的KC250H型干式滾齒機和硬質(zhì)合金滾刀，在冷風冷卻、微量潤滑劑潤滑的條件下進行了高速滾齒加工，與傳統(tǒng)的濕式滾齒機(KA220型)和高速鋼滾刀加工相比，加工速度提高了2.3倍，加工齒輪精度也得到明顯提高。

就工件材料而言，鑄鐵由于熔點高、熱擴散系數(shù)小，最適合進行干切削。Spur和Lachmund陶瓷刀具和CNB刀具高速切削鑄鐵的試驗結(jié)果表明，由于CNB具有較高的導熱系數(shù)，能快速帶走工件的熱量，因此CNB刀具比陶瓷刀具更適合鑄鐵材料的高速切削。鋁及鋁合金是難于進行干切削的材料，但通過采用MQL潤滑的高速準干式切削，在解決切屑與刀具粘結(jié)及鋁件熱變形方面已獲得突破，在實際生產(chǎn)中已有加工鋁合金零件的準干式切削生產(chǎn)線投入運行。對于難加工材料，則已開發(fā)了使用激光輔助進行干切削的加工技術(shù)。無冷卻液機械加工

總之，干切削加工從根本上解決了切削液帶來的弊端，不僅有利于保護環(huán)境和工人健康，而且可以降低加工成本，無疑是一種很有發(fā)展前途的綠色零件加工工藝。據(jù)資料報道，在歐洲的大批量機械加工中，目前大約有10%-15%的加工使用干或準干切削，而干切削技術(shù)的研究開發(fā)工作，近十余年已經(jīng)成為制造工程和企業(yè)界人士關(guān)注的熱點之一。無論在實際生產(chǎn)應(yīng)用還是在研究開發(fā)方面，中國與國外都存在相當差距，需要采取措施加快發(fā)展步伐。應(yīng)該看到，重視環(huán)保是時代潮流，本世紀在中國推行干和準干切削技術(shù)也是大勢所趨。無冷卻液機械加工干磨技術(shù)磨削加工是一種高效的加工方法，具有加工精度高和能加工高硬度零件等優(yōu)點，有時是其它切削加工方法所不能替代的。由于加工時需要在砂輪和工件表面之間加入磨削液來起潤滑及冷卻和消塵作用，需要大量使用磨削液，但廢液污染環(huán)境。因此在磨削加工中如何減少或不用磨削液，同時減少粉塵對環(huán)境的污染，以求綠色的磨削加工，是加工制造業(yè)努力的方向。

由于磨削速度高，磨屑和磨料粉塵細小，易使周圍空氣塵化，為防止空氣塵化要用磨削液；同時為了防止工件燒傷、裂紋，要冷卻降溫，冷卻降溫也要用磨削液，從而帶來廢液污染環(huán)境的問題。干磨技術(shù)

由于常規(guī)的磨削加工產(chǎn)生一些環(huán)境問題，因此世界各國都在進行有利于環(huán)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產(chǎn)生了干式磨削技術(shù)。干式磨削就是不使用磨削液的磨削加工技術(shù)。但因為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。如果使用熱傳導性良好的CBN砂輪進行低效率磨削，或用金剛石砂輪進行點式磨削，以及采用具有合適散熱方式的冷風磨削，仍可使用干式磨削。

干式磨削在磨削過程中不用任何磨削液，它的優(yōu)點是形成的磨屑易回收處理，且可節(jié)省下涉及到磨削液保存、回收處理等方面的的裝備及費用，節(jié)約了生產(chǎn)成本，也不會造成環(huán)境污染。但實現(xiàn)起來比較困難這是因為，原來由冷卻液承擔的任務(wù)，如磨削區(qū)潤滑、工件冷卻以及磨屑排除，都需要另外的方法完成。其中關(guān)鍵問題是如何降低磨削熱的產(chǎn)生或使產(chǎn)生的磨削熱很快地散發(fā)出去。為此可采取以下措施：干磨技術(shù)

（1）選擇導熱性好或能承受較高磨削溫度的砂輪，降低磨削對冷卻的依賴程度。新型磨料磨具的發(fā)展已為此提供了可能性，如具有良好導熱性的CBN砂輪可用于干式磨削。（2）減少同時參加磨削的磨粒數(shù)量，以降低磨削熱的產(chǎn)生，如點式磨削。

（3）在滿足切磨條件的情況下，減少砂輪圓周速度vs與工件圓周速度vw間的比值（q=vs/vw），這樣可使磨削熱源快速地在工件表面移動，熱量不容易進入工件內(nèi)部。（4）提高砂輪的圓周速度，以減少砂輪與工件的接觸時間。同時為了保持上述的速比q不變，應(yīng)等量地提高工件的圓周速度。（5）用新型冷卻方式，如采用強冷風磨削。干磨技術(shù)強冷風干式磨削強冷風磨削加工是日本最近開發(fā)成功的一項新技術(shù)。強冷風磨削是通過熱交換器，把壓縮空氣用液氮冷（－190°C）卻到-110℃，然后經(jīng)噴嘴噴射到磨削點上（由于溫度下降，原來空氣中的水份會凍結(jié)在管道中，因此需使用空氣干燥裝置），將磨削加工所產(chǎn)生的熱量帶走。同時，由于壓縮空氣溫度很低，產(chǎn)生熱量少，所以在磨削點上很少有火花出現(xiàn)，因而工件熱變形極小，可得到10μm以內(nèi)的橢圓度。

實施強冷風磨削最理想的是與CBN砂輪結(jié)合使用，可充分發(fā)揮CBN的優(yōu)越性。這是因為CBN磨粒的導熱率是傳統(tǒng)砂輪磨粒Al2O3、SiC及鋼鐵材料的15倍。如果用傳統(tǒng)砂輪磨削，加工點上產(chǎn)生的熱量不易從工件上散出，工件的溫度會上升到1000℃左右；如果用CBN砂輪磨削，加工點上產(chǎn)生的熱量可經(jīng)導熱率大的CBN磨粒傳遞出去，工件溫度約有300℃左右。因此，使用CBN砂輪進行干式磨削時，再對磨削點實行強冷風吹冷，可得到良好的效果。

干磨技術(shù)

強冷風磨削也為被加工材料的再生利用開辟了道路，設(shè)置在磨削點下方的真空泵吸走磨削產(chǎn)生的磨屑，這些磨屑粉末純度很高，幾乎沒有混入磨料和粘結(jié)劑顆粒。這是因為Al2O3砂輪的磨削比是600，而CBN砂輪的磨削比約為30000。CBN砂輪幾乎不磨損，磨屑中沒有砂輪的粉末，因此，磨屑粉末融化后再生材料的成分幾乎沒有發(fā)生變化。點磨削

點磨削是另一種形式的干式磨削，它是由德國容克公司首先發(fā)展起來的一種超硬磨料高效磨削新工藝，目前在我國汽車工業(yè)中已得到應(yīng)用。該工藝有極高的金屬去除率和很高的加工柔性，在一次裝夾中可以完成工件上所有外形的磨削，同時產(chǎn)生的熱量少，散熱條件好。干磨技術(shù)

點磨削是利用超高線速度（120～250m/s）的單層CBN薄砂輪（寬度僅幾毫米）來實現(xiàn)的。點磨削主要有以下特點：（1）點磨削用提高磨削速度的方法來提高加工效率，而CBN磨料的高硬度、高耐磨性為提高磨削速度提供了可能，并且此砂輪是由電鍍和釬焊單層超硬磨料而成型，更允許進行超高速磨削。以這種速度磨削，去除率高、砂輪壽命長，同時磨削時變形速度超過熱量傳導速度，大量變形能轉(zhuǎn)化成的熱量隨磨屑被帶走，而來不及傳到工件和砂輪上，是一種冷態(tài)磨削。這樣提高了加工精度和加工表面質(zhì)量，砂輪表面溫度幾乎不升高。

（2）點磨削在提高砂輪速度的同時，還減薄了砂輪的厚度，使砂輪的厚度只有幾個毫米，這可以降低砂輪的造價，提高砂輪制造質(zhì)量。薄砂輪還降低砂輪的重量和不平衡度，大大降低運轉(zhuǎn)時施加在軸上的離心力。（3）為減少砂輪與工件間的磨削接觸，加工時，砂輪軸線與工件軸線形成一定的傾角，這使砂輪與工件之間的接觸變成點接觸（這也是點磨削名稱的由來）。這樣降低了磨削接觸區(qū)的面積，不存在磨削封閉區(qū)，更利于磨削熱的散發(fā)。干磨技術(shù)

（4）點磨削時，砂輪與工件間磨削接觸區(qū)為點接觸，磨削力大大減小，這實際上等于增加了機床剛度，減輕了磨削產(chǎn)生的振動，使磨削平穩(wěn)，同時提高了砂輪壽命和加工質(zhì)量。（5）點磨削砂輪壽命長（可使用一年），修整頻率低（每次修整可磨削加工20萬件）。微量冷卻機械加工采用MQL潤滑的準干式切削對于某些加工方式和工件材料組合，純粹的干式切削目前尚難于在實際生產(chǎn)中使用，故又產(chǎn)生了極微量潤滑（MinimalQuantityLubrication，簡稱MQL）技術(shù)。MQL是將極微量的切削油與具有一定壓力的壓縮空氣混合并油霧化，然后一起噴向切削區(qū)，對刀具與切屑和刀具與工件的接觸界面進行潤滑，以減少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同時也冷卻了切削區(qū)（油霧在切削區(qū)汽化也會吸收不少切削熱）并有利于排屑，從而顯著地改善切削加工條件。MQL也即在切削中，切削工作處在最佳狀態(tài)下(即不縮短刀具使用壽命，不降低已加工表面質(zhì)量)，切削液的使用量達到最少。采用MQL潤滑的準干式切削MQL潤滑的準干式切削效果相當好，曾經(jīng)有人使用涂有TiAIN+MoS2涂層的鉆頭，對鋁合金材料工件鉆孔，采用純粹的干切削鉆16孔后，切屑就粘連在鉆頭的容屑槽，使鉆頭不能繼續(xù)使用，采用MQL潤滑后，鉆出320個合格孔后，鉆頭還沒有明顯的磨損和粘連。日本稻崎一郎等人曾用直徑f10mm的硬質(zhì)合金端銑刀，以60m/min的切削速度銑削碳鋼，比較干切削、吹高壓空氣、濕切削（250L/h切削液）和準干式切削（20mL/h切削油）四種加工方式的刀具磨損。盡管準干式切削所使用的切削液不及濕切削的萬分之一，但其銑刀后刀面的磨損不僅大大低于干切削，且與濕切削相近甚至略低。

采用MQL潤滑的準干式切削，除了需要油氣混合裝置和確定最佳切削油量外，還要解決一個關(guān)鍵技術(shù)問題，就是如何保證極微量的切削油順利送入切削區(qū)。最簡單的辦法，當然是從外部將油氣混合物噴向切削區(qū)，但這種外噴法有時并不很有效，比如加工較深的孔。更有效的辦法是讓油氣混合物經(jīng)過機床主軸和工具中間的通道噴向切削區(qū)，稱為內(nèi)噴法。內(nèi)噴法按照切削油和壓縮空氣在進入機床主軸之前混合還是在進入之后混合，又進一步分為外部混合式和內(nèi)部混合式。MQL技術(shù)在鉆孔過程中，MQL系統(tǒng)向刀具尖端噴射出小滴的冷卻液

采用MQL潤滑的準干式切削

機床制造商為適應(yīng)市場需求，相繼推出準干式切削的機床，如德國HuelerHille公司的500/630T高速加工中心，就可提供進行準干式切削的品種；日本豐田工機的小型高速加工中心Piccocenter，則是專門為準干式切削小型鋁合金零件設(shè)計的。上述兩種準干式切削機床，都是通過內(nèi)噴法進行MQL潤滑。內(nèi)噴法的效果良好，但也存在不可忽視的缺點：使機床主軸和工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得復雜；當主軸轉(zhuǎn)速過高時，受離心力作用影響，切削油易粘附在主軸和工具的內(nèi)孔壁不易達到切削區(qū)，目前情況主軸轉(zhuǎn)速一般不宜超過20000～30000r/min。

美國密執(zhí)安技術(shù)大學對切削加工中有關(guān)切削液的適當用量問題進行了研究，試圖在滿足加工要求的情況下，使切削液用量最少、與切削液有關(guān)的費用也降至最低。他們在福特汽車公司所做的試驗中，對切削液的濃度、工件材料、刀具類型及幾何參數(shù)等都進行了測試與研究，并對工件表面粗糙度、積屑瘤和切削力等作了分析，通過試驗得出了最適當?shù)那邢饕河昧俊?/p>

采用MQL潤滑的準干式切削

美國Thyssen制造公司對“最小潤滑”加工技術(shù)進行了研究，使切削液流或氣霧通過刀具作用于加工區(qū)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潤滑技術(shù)鉆削多種復合板。在鉆削鋁一鈦多層復合板時，鉆削鈦板切屑的摩擦磨損作用，會導致鋁板孔呈喇叭形，孔徑波動幅度和平均孔徑值增大并可能超差。試驗采用了最少量潤滑技術(shù)，使用涂層刀具并采用退刀排屑和擴孔方式加工，減小刃帶寬度，增大進給角和使用階梯軸，保證了孔的加工質(zhì)量。

準干式磨削準干式磨削由于不使用磨削液又很難進行磨削加工，因此如何盡量減少磨削液的使用是當前研究的重點—即準干式磨削。準干式磨削首先是采用合適的供液方法，使磨削液有效地送到磨削區(qū)，增強冷卻效果；其次是不斷探索磨削液的最佳流量，實現(xiàn)用量微量化。

準干式磨削就是在磨削過程中施加微量磨削液，并采取一定的措施，使這些磨削液全部消耗在磨削區(qū)并大部分被蒸發(fā)掉，沒有多余磨削液污染環(huán)境。較多使用的射流冷卻磨削加工就是一種準干式磨削。射流冷卻是一種比較經(jīng)濟的冷卻方法。它把冷卻介質(zhì)直接強行送入磨削區(qū)，用較少的冷卻介質(zhì)達到大量澆注的效果，同時也減少了對環(huán)境的污染。依照射流介質(zhì)不同，又分為液體射流、氣體射流、混合射流三種。從環(huán)境角度講，三者相比，氣體射流冷卻是一種比較好的冷卻方式。選擇一定的氣壓，通過各種控制元件將介質(zhì)送到射流口，以沖刷加工區(qū)，加強磨削區(qū)與周圍的熱交換，改善磨削區(qū)的散熱條件。射流冷卻著重針對磨削區(qū)，比其它冷卻方法更能使冷卻介質(zhì)進入磨削區(qū)，冷卻的針對性強，效果顯著。射流的沖刷作用使磨削時產(chǎn)生的磨屑粉末不易粘附在砂輪上，有利于加工質(zhì)量的提高。干式和MQL金屬切削系統(tǒng)的實際情況

采用冷卻液(無論是純油或油水混合物)的金屬切削實現(xiàn)了以下功能，包括冷卻機床、工件，調(diào)整機床刀具，使刀具和工件之間潤滑，沖洗切屑等。干加工和MQL系統(tǒng)能否提供相同的功能？雖然切削液原料成本高并且還在增長，但是干式和MQL系統(tǒng)需要專門的機床和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以幫助清除切屑，冷卻機床和主軸。許多機床生產(chǎn)商猶豫不決，不敢徹底地重新設(shè)計新機床和輔助設(shè)備；通過使用非傳統(tǒng)的切削液——包括酯類，環(huán)境成本顯著減少。這些產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)點包括具有清潔劑、分散劑的性能，低發(fā)泡，快速放氣，著火點相對較高以及表層兼容?；谥参锏臐櫥涂裳杆俦簧锝到?，大多數(shù)情況下，潤滑油在21天內(nèi)即被分解，這樣就無長期清潔的后顧之憂。這些潤滑油也已經(jīng)得到改進，具有低霧化的特點，有助于短期清潔。Fuchs石油公司已開發(fā)出Planto系列冷卻液，它們是基于植物的冷卻潤滑油，在全球取得了巨大的成功。使用新型節(jié)能泵以大大減少機床的年耗電量；干式和MQL金屬切削系統(tǒng)的實際情況只有某些刀具，主要是銑刀和嵌入刀片，可以利用干切削和MQL切削。鉆深孔還存在著相當大的問題，因為難以清除切屑。鋁合金難以進行干銑，因為細小的切屑微粒變熱，容易粘在切削刀具上，這樣會顯著縮短刀具的使用壽命；干式切削可使刀刃溫度高達800攝氏度利用干式和MQL系統(tǒng)可以縮短加工時間，但是有一些限制條件，例如不可能執(zhí)行長時間的連續(xù)切削。記住冷卻液的功能之一是冷卻工件、刀具、切屑和機床。在快速加工時，這些區(qū)域的高溫對操作者很危險(切屑的表面溫度高達800攝氏度)，并且會使工件預(yù)硬化或變形，由于機床、支柱和刀具的膨脹導致工件尺寸發(fā)生變化。MQL不能降低切削溫度。干式切削在工廠環(huán)境中引起噪聲污染。使用冷卻液沖洗工件和切削區(qū)域能消除許多這類問題；干式和MQL金屬切削系統(tǒng)的實際情況雖然干式和MQL切削系統(tǒng)消除了冷卻液霧，但是生產(chǎn)商和操作者們關(guān)心的一個主要問題是金屬粉塵。IPT在德國亞琛對銑削傳統(tǒng)鑄造材料時所產(chǎn)生的粉塵進行了測量，結(jié)果表明每加工一千克材料將產(chǎn)生4.5克及其細小的粉塵。最大允許值是MAK閾值6mg/m3。雖然可以把機床設(shè)計成大部分采用垂直表面，并用刷子清潔水平表面，但是加工粉塵會堆積在導軌面上，進入縫隙中，附著在傳感器和窗戶上，使得機床的運轉(zhuǎn)變得很困難。用壓縮空氣或干冰鼓風這種做法不切實際，成本高昂，而且會加劇金屬粉塵的問題。金屬粉塵的附著也是導致切削刀具使用壽命縮短的一個重要原因。齒輪干式切削滾刀表面附著了金屬粉塵干式和MQL金屬切削系統(tǒng)的實際情況應(yīng)用實例：一家德國汽車制造商安裝了一條靈活的生產(chǎn)線來生產(chǎn)輪轂，在該生產(chǎn)線上使用機械手來裝載和卸載零件，并且采用最小量潤滑技術(shù)。據(jù)稱從一組輪轂到下一組輪轂的總制造時間為43秒。通過使用MQL系統(tǒng)，乳化劑以每小時80ml的速率被輸送貫穿至整個軸，而傳統(tǒng)的切削加工每分鐘需要300升乳化劑。機床經(jīng)專門設(shè)計和建造來實現(xiàn)“懸掛加工”，因此，切屑可以直接落下，而不會粘在機床上。

在大眾汽車公司的扎耳茨吉特工廠，采用干式切入磨削技術(shù)來制造他們的新型“泵/噴嘴”柴油機的鍛壓凸輪軸。凸輪軸的材料為16MnCr5，所達到的公差必須小于5/100mm。已經(jīng)開發(fā)出了專門的刀具來從事該磨削加工。從上面的例子可以看出干切或MQL技術(shù)的優(yōu)勢，及綠色特性，但也請注意這兩個實例的相似之處——既不能使用傳統(tǒng)設(shè)計的機床，也不能使用現(xiàn)有的刀具。為了利用干切削或MQL切削技術(shù)，需要預(yù)先規(guī)劃、設(shè)計、專門的制造技術(shù)以及投資，這在一定程度上削弱了干式或MQL切削技術(shù)較傳統(tǒng)加工原理的成本優(yōu)勢。因而他們技術(shù)的發(fā)展還需要解決很多的實際問題。高壓水射流切割高壓水射流切割自本世紀50年代起，人們開始研究一種獨特的冷切割新工藝，利用高聚能水射流對材料的破壞作用來切割材料。但由于當時技術(shù)水平的限制，無法將水的能量提得很高，壓力只在100MPa以下。到70年代，研制出了高壓泵和增壓器，其水壓可達200MPa以上，目前水壓可達1000MP以上。1971年，首臺高壓水射流切割機在美國問世，可切割多種非金屬軟