绿色制造和干切削

绿色制造的核心是节能减排，机械加工过程产生的废弃物主要是切削液和切屑。特别是切削液的采购、存储、使用和废弃处置需要专门的技术和物流系统，费用很高，大约占加工成本的10% ~15%。切削液处理不当会对人的生命以及环境造成危害。近10年来，随着对生态保护的重视，干切削和准干切削技术受到越来越多的关注。

放弃传统的冷却润滑加工方式，转而采用干切削可以省去切削液的费用支出。干切削除了能提高生产效率，还能保护员工健康与生态环境。员工不用与切削液接触，还可以增加员工对工作的满意度，从而对工作效率起到积极作用（图1）。此外，公司还可通过宣传使用具有环保和经济的生产工艺来提高自己的市场形象，达到促进市场营销的目的。

干切削绝不是简单地停止切削液的供应。切削液具有许多重要功能，当没有切削液时，这些功能必须借助其他措施来完成。首先，切削液可以减少摩擦以及摩擦热量的产生，并能带走所产生的热。此外，切削液还起到一系列的辅助作用，例如排屑、清洁刀具、工件和夹具。切削液还可以为工件和机床提供统一的温度场，并控制热变形在一定范围之内。

图1  传统湿式切削与干切削的比较

干切削和微量润滑加工

1. 基本概念

在湿加工中，切削液的主要作用是冷却、润滑和移除切屑。通常根据具体的加工工艺和加工任务选用乳化剂或油作为切削液。乳化剂因其含水量高而具有良好的冷却效果，而油具有出色的润滑效果。两种介质都能有效地排屑。微量润滑加工中使用的介质主要是油，当然也有用乳化剂和水的，这些介质以微量的形式传送到刀具或加工点。介质的传送可通过空气系统来实现，气泵以连续的精确液滴有选择地为刀具提供介质；也可以先将介质在喷嘴中雾化成极其细小的液滴，然后以气雾喷射的形式输送到加工点。根据所用介质的类型和主要功能，可以分为微量润滑液（Minimal Quantity Lubrication——MQL）和微量冷却液（Minimal Quantity Cooling——MQC）加工，MQL和MQC都属于干切削范畴。

2. 影响干切削过程的因素

将干切削引入机械加工过程，必须从系统的角度理解切削过程的各个环节，如工件材料、零件加工精度，加工工艺、冷却润滑介质、切削参数、刀具结构和刀片涂层以及机床性能之间的相互影响（图2）。为了达到理想的技术的和经济的结果，影响干切削过程的各组成部分必须相互协调。每种加工过程都需要对各种影响因素进行优化设计，才能够达到预期的效果。

干切削的工艺设计

要理解干切削的机理和局限性首先必须理解摩擦和刀具的磨损。切削过程的摩擦机理是由接触物体、环境和作用参数共同决定的。按照摩擦学的定义，摩擦系统包含一个与摩擦相关的基本单元和对应物体，对应物体的磨损对过程没有决定意义。根据该定义，切削工具代表摩擦系统中的基本单元，而工件则代表对应物体。界面元素和环境介质对摩擦系统的行为产生影响。因此，除了切削液，还要考虑接触区的反应产物和摩擦材料，切削参数也会影响系统的磨损机理。

图2  影响干切削的各种因素

当设计干切削的工艺过程时，必须考虑切削热的形成，排屑、机床和刀具的运动状态。不同加工过程对切削液的需求以及适合干切削的程度是不同的。铣削最适合干切削，因为断续的切削过程确保了断屑、排屑和刀刃的冷却。车削时切削区域通常易于接近，也较适合采用干切削，此时可转位刀具、断屑槽结构和切削参数起到重要作用。孔加工，如钻削、攻螺纹和铰孔等带几何确定刀刃的切削工艺,在缺少必要切削液的情况下是无法完成的。由于大量切削热会在看不见的切削区内产生，因此将切屑从孔中及时排出非常关键。此外，切削速度随着钻头直径的减小而降低，导致钻头外刃与中心的载荷不同。铰孔时铰刀刀刃和导向刃上的载荷也不同，因此需要对孔加工工艺进行精确地分析，才能确定是否适合引入干切削。

钢和铸铁的车铣可以通过硬质合金刀具镀层的高耐热性实现完全干切削，干切削的应用同时需要掌握不用冷却切削液的后续操作。

刀具粘结磨损在干切削过程中至关重要。由于工件材料具有延展性，在高温下容易发生机械互锁和扩散。

高温和良好的接触是扩散的必备条件。现代机加工的材料在干切削的适应性和粘接磨损方面存在差异。

硬质合金是制造高性能钻头的优良材料。基于高速切削和高性能切削的不断应用，越来越多的刀具制造商开始修改标准刀具以适应干切削的不断挑战。具有代表性的包括改变刀具形状和采用稳定的切削刀刃，以实现较小的切削力。

改进刀具和增大切削参数可以明显提高切屑的流动率。这样可以减少刀具和工件之间的接触时间，提高加工性能。在高性能切削应用中，进给速度可以比传统机加工工艺提高两三倍。

除了加工工艺的技术调整，干切削同样需要为机床刀具和辅助设备建立新标准。机床与干切削要求的匹配必须分为新系统和旧系统来考虑。对于现存制造系统，改变其结构需要很多努力和高额支出。如果重建的费用在经济上不可行，则常采用合理的必要改型，如应用MQL供应系统和工作区护罩。因为干切削和MQL的要求一开始就能被考虑到，所以修改设计的机会随着新机床的开发而增加。然而，现有制造结构的外部条件存在很大差异，很难找到一个广泛使用的解决方案。因此，有必要将传输线，加工中心和专用机床分开考虑。　　

在大规模生产和柔性制造系统中，对干切削机床的要求多种多样。其中最重要的一项是将切屑从工作区移除，以防治切屑堆积，并将机床零部件上的发热减到最小。切屑的可靠移除是对干切削机床的基本要求之一。在移除切屑时，保证切屑与工件、夹具和机床零部件之间不传递热量和动能尤其重要。基本建设方针就是设计陡峭的工作区和有效的间隙。为了保证高生产率，应尽量避免手工除屑。工作区应有适当的防护板、倾斜面和陡峭定位金属板。另外，光滑且耐磨损的防护板以及悬挂或倾斜的工件可以防止切屑堆积。通过一个完全封闭的加工区和一个自动切屑输送机，可以降低切屑处理和传输的难度。

对于高性能机床，选择适当的建筑材料特别重要。为了解决驱动电机和主轴的高热负荷和高功率密度，复合床身常被用于精加工和硬车削以及干切削应用中。在车削过程中，由于可以接近切削区，切屑通常自动落入切屑输送机。与之相比，铣削产生的切屑或颗粒会严重污染加工区。因为断续切削，转动刀具会产生细小切屑并将其分离。因此，切屑容易在工作台、夹具和工件上堆积。在这种情况下，可以使用系统装置移除接近加工区的切屑。

在现代干切削中，切削液的消除为加工技术带来了巨大的进步。如今，许多加工工艺和工件材料的加工是通过现代切削刀具和镀层，适当的刀具设计和加工策略，以及机床优化的应用而实现的。高性能系统部件确保了工艺的经济性和高生产率，减少了加工时间，极大提高了工件的质量。当然，干切削技术仍然是一种特殊的解决方案，其主要用于大规模工业生产，如汽车制造。

尽管如此，随着干切削的工业应用和相关研究不断增加，可以预见，干切削这项现代高性能加工技术最终将扩展到中小型企业。