綠色切削及其關鍵技術發展概況

文/張翠杰 王文龍，鄭州工業應用技術學院 河南工學院

1 引言

21世紀，制造業必將持續發展，要求產品的制造過程應當在保證高生產效率的核優良的質量的同時，又能維護生態良性循環。如何使制造業在生產出不斷滿足人們物質和文化需求的產品的同時，有效地利用能源，盡可能少的產生環境污染已經成為當前制造科學方面面臨解決的重大問題。隨著人們的不斷努力創新，綠色切削技術逐步被各個國家所采用，成為各國可持續發展戰略中的重要一步。

2 綠色切削的內涵、分類及特點

2.1 綠色切削的內涵

所謂綠色切削是指在保證產品質量、成本和效率的基礎上，充分利用資源能源，實現少無環境污染的新型切削工藝方法。其本質是在切削過程中實現優質、低耗、高效、清潔生產。為了實現綠色切削，往往采取以下措施：優化毛坯形狀、減輕毛坯重量、實現少無余量切削；優化刀具材料性能，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、潤滑方式來代替切削液，減少環境污染。

2.2 綠色切削的分類與特點

根據采用的切削介質不同，綠色切削技術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程中，除自然環境冷卻外不使用任何其他附加的介質的加工方法，如干切削、干磨削技術。輔助綠色切削是指把無污染的介質（水蒸氣、綠色潤滑液、液氮等）輸入到切削區進行冷卻、潤滑的加工方法，如液氮冷卻、微量潤滑(Minimumu Quatity Lubracation,MQL)、低溫冷風切削等等。

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的一些費用，形成相對干凈衛生的工作環境，也不會產生環境污染，同時也避免了與切削液相關的安全和質量事故。因此，作為一種綠色制造工藝來說，對于節約成本、保護環境具有重要意義，隨著與其相關技術的發展，干切削必將成為綠色切削領域的一個新熱點。

純粹的干切削有時候難以實現于實際生產中去，故產生了另外一種加工技術——極微量技術或最少量油霧潤滑技術（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域，對刀具和工件的接觸區域潤滑，這樣減少摩擦，降低溫度，加速排屑，改善加工條件。

3 綠色切削的關鍵技術

3.1 工件材料

由于切削時產生大量的切削熱，容易造成工件熱變形，影響加工精度，因此，工件材質的特性是決定該材料是否適合干切削的的關鍵因素。如熔點較高、熱導率和熱膨脹系數較小的材料適合干切削。對于零件尺寸精度、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。

3.2 刀具技術

要實現綠色切削，其發展趨勢將會采用干切削或準干切削，而干切削很多采用高速干切削技術，這樣，對刀具提出了更高的要求。干切削加工時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。

開發干切削刀具，除了正確選用刀具材料和優化刀具幾何參數外，大力發展刀具涂層具有特別重要的意義。通過刀具基體上的硬、軟涂層可以彌補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。由于涂層摩擦系數小，減少了摩擦并由此降低了摩擦熱。刀具涂層成為當今干切削與準干切削中最常用的刀具，基體一般是韌性較好的硬質合金，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 切削機床

綠色切削是在保證產品高質量的基礎上實現對環境的無污染，為了保證產品高質量和加工的高效率，高精度的高速機床是必需品。當然對于不同的切削環境對機床的要求也各不相同。在干切削環境中，由于不使用切削液，所以產生大量的切削熱沒有被帶走，因此干切削機床基礎大件一般采用熱對稱結構，并盡量用熱膨脹系數小的材料制成，必要時還應進一步采取熱平衡和熱補償等措施。

4 結論

對于未來制造業的發展趨勢，綠色切削將會成為一個必然，它不僅節約成本，提高生產效率，還不會造成環境污染。而要實現綠色切削，同樣要解決幾個關鍵問題：1）優化毛坯形狀、減輕毛坯重量、實現少無余量切削；2）研發新的刀具材料和涂層技術，改善刀具結構和幾何參數；3）開發新的綠色切削液技術，或者研發其他替代品。雖然現在各方面技術還不成熟，無法完全應用與實際生產中，但隨著各方面相關技術的發張，相信綠色切削技術將會在不遠的未來被成熟應用。