金属切削技术的应用与发展

金属切削技术的应用与发展

2010-8-4 张玉兰

关键字：绿色制造干式切削技术环境发展

制造业是人类创造财富的支柱产业，同时叉造成了对环境的污染。国际生产工程学会提倡运用有利于保护环境的绿色制造技术，节资增效，减少废物排放，而干式切削技术与传统的切削技术不同，正是一项值得推广的具有环保性质的切削加工技术。

一、传统的切削加工中存在的问题

传统的湿式切削加工是以大量资源消耗和粗放废弃物为特征的，对加工过程中产生的三废(废气、废液和废渣)采用末端治理技术，即等到产生了废弃物和污染后再处理，使治理污染的投入高，环保效果差。而且，湿式切削加工中使用大量的冷却润滑液，造成的负面影响也越来越明显。

(一)造成环境污染

在传统的切削加工过程中，切削液参与的比例很大。含有多种化学成分的切削液主要作用是冷却、润滑、防锈和清洗，分为油基和水基两种。切削液对环境的危害主要来自于其废液对水资源的污染。矿物油是切削液的主要成分之一，其生物降解性差，能长期滞留在水和土壤中。美国环保局指出，油对水生物有急性致死毒性，也有长期亚急性致死毒性。切削液的添加剂对环境的污染是多方面的，如常用作极压添加剂的短链氯化石蜡是海水污染物之一；在水基切削液中常用磷酸钠作防锈剂，而研究证明，磷酸盐类化合物的直接排放严重污染环境，会使河流、湖泊和海洋出现富营养化，出现蓝藻和赤潮。还有，切屑中带有的残存切削液会污染土壤，切屑再生利用时切削液的有毒有害成分也会污染环境。

(二)危害车间工人的身体健康

首先，在使用切削液时产生的油雾以及切削液散发的气味对工人的呼吸器官有危害。油基切削液在高速或重载切削条件下，产生高温化学反应，释放刺激性的有害气体和油雾，燃点和黏度越低，烟雾就越大，污染越重。其次，切削液中的添加剂具有毒性。为改善切削性能，人们在水基切削液中加入了各种添加剂，如：极压剂、防锈剂、防霉剂等。普通水基液含有数十种不同的化学成份，而且在使用中遇高温时会形成新的化合物，对人体健康危害较大。

(三)零件的生产成本大幅度提高

德国VDMA和日本精密工程协会的研究表明：冷却润滑液的供给、保养、处理和冷却润滑液设备的折旧以及环境保护等所需的费用，还有加工中采用传统切削液发生的相关费用，约占到工件制造成本的12％～17％；磨削加工中切削液的费用可高达制造成本的30％左右。而这些费用常常被低估，因为它们包含在间接费用之中。据测算，如果20％的切削加工采用切削，总的制造成本可降低16％。由此可见，传统的切削技术存在着降低产品成本的巨大空间。

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二、绿色制造与清洁切削技术

绿色制造的概念最早由美国制造工程师学会提出，它是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，目标是使产品从设计、制造、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负作用最小，对资源的利用率最高。环境、资源、人口是当今社会面临的三大主要问题。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。21世纪在制造业实施绿色制造已势在必行。

传统的切削加工技术作为制造业的主要加工方法由于其对环境具有严重的污染性，正面临新的挑战，因此，绿色切削加工技术应运而生。在自动化程度较高的数控机床、加工中心和自动线上，零件的加工冷却是以使用切削液的湿式方式进行的。在金属切削加工中选用合适的金属切削液可以起到良好的冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等作用，从而提高了刀具寿命，保证了加工质量和加工精度，提高了生产效率。然而，随着金属切削液的广泛使用，人们发现切削液是金属切削加工的主要污染源。因此，许多国家都制定了严格的工业排放标准，进一步限制了切削液的使用，这就迫使人们探索新的冷却方法，创造清洁的生产环境，这使得污染小、废物少的“绿色制造”技术成为制造领域的主要发展趋势。

清洁切削技术是一种充分考虑环境和资源问题的加工技术，它要求在整个加工过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。所谓清洁切削加工就是对人及环境无害化的绿色环保切削加工，主要包括以下二方面的内容：一要对生态环境和小加工现场都无毒副作用或作用很小；二是在加工过程中产生的三废(废气、废液和废渣)已降低到最小，并在链条末端可回收或自然降解，达到无公害的环保要求。

三、采用干切削加工技术，实施清洁切削加工的途径。

干切削加工技术或称干式切削技术起源于欧洲，目前在西欧各国使用较多。2003年，德国制造业有20％以上采用了干切削技术。在干切削研究和应用方面，德国处于国际领先地位。干式切削技术即是在切削加工过程中完全不使用任何切削液，这就完全避免了切削液的负面影响，是一种理想的绿色切削加工方式。干切削是实现清洁高效加工的新工艺，是制造技术发展的总趋势。

干式切削具有以下特点：一是形成的切屑干净、清洁、无污染，易于回收和处理；二是省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等有关装置及费用，简化了生产系统，节约了生产成本，省去了与切屑及切削液处理有关的费用；三是不污染环境，也不发生与切削液有关的安全及质量事故。然而，在干切削过程中，由于缺少切削液的润滑、冷却、辅助排屑等作用，切削刀具承受的负荷大，热源强，切削温度高．刀屑界面是完全的二相固体接触状态，刀具磨损过程异常复杂，刀具和工件易发生热变形，刀具耐用度和加工表面质量降低。所以，干切削不是简单地停止使用切削液，而是在停止使用切削液的同时，保证效率高、产品质量高和刀具寿命长。

(一) 干切削技术实施的前提

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第一，采用热稳定、快速排屑的高速机床；

第二，采用新型的刀具材料和涂层技术；

第三，合理选择和刃磨刀具的几何形状。

随着刀具材料和性能的不断改进，刀具的几何参数变化很大，如近年来日本、德国、美国等开发的各式装配硬质合金刀片的涂层铣刀，在刀片上采用了各种特殊形状的三维断屑槽，刀刃也由原来的直线型变为各种螺旋形、波形刃等。

(二)干切削技术存在的问题

在同样的工艺条件下，当不使用切削液时有可能发生：

第一，直接加工能耗（加工变形能耗和摩擦能耗）增大，切削温度增高。

第二，第二变形区的摩擦状态及磨损机理发生改变。刀具磨损加快；刀具的磨损已由湿式切削的磨料磨损转变为以热扩散和氧化磨损为主。

第三，刀屑的接触长度增加，切屑形成过程发生较为明显的塑性变形，这种较高的热塑性导致切屑难于折断和控制。切屑的收集和排除较为困难。

第四，加工表面质量易于恶化。

(三)其它干切削技术

在干切削的基础上发展起来的特殊的切削方式有：

第一，静电冷却干切削；

第二，导电加热切削。

(四) 准干式切削技术

准干式切削法是用气体加微量无害油剂代替切削液的切削方式，常见的有以下几种方法：

第一，MQL(Minimal Quantity Lubrication)微量润滑切削。这种国外较为流行的准干式切削方法，它在压缩空气中混入微量的无公害油雾，用来代替大量油剂对切削点实施冷却、润滑和排屑。

第二，氮气流切削。使用低沸点介质，在压力作用下，将氮气发生装置所生成的氮气送入切削点．它是一种代替大量油剂的切削方法，主要有两种形式：一是用液氮自身瓶装压力将氮气流喷射到切削区直接润滑冷却刀具，二是用液氮受热蒸发循环间接使刀具润滑冷却。

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第三，用水蒸气做冷却润滑剂的切削加工。用水蒸气做冷却润滑剂大大加强了冷却润滑的渗入能力，取消了液相渗入阶段；同时，还能够保证冷却均匀，使硬质合金刀具断续切削效果好，而且也提高了硬质合金刀具的使用寿命。

第四，涡流管制冷切削。用涡流管将压缩空气温度降低到—20℃～—30℃，对切削区实施冷却、润滑和排屑。这种使用冷风为刀具和工件的切削冷却方法，在日本应用较广，与MQL切削法不同的是：它可以将切削点的温度降低。

第五，喷雾冷却技术。雾化的切削液滴易于渗透到切削区，利用雾滴汽化散热的方法实现冷却，能够充分发挥切削液的润滑作用，提高工件表面质量和切削效率。

第六，空气绝热膨胀制冷切削。利用高压空气的绝热膨胀降低气体本身的温度，从而降低切削区温度，完成切削任务，但其温度不易控制，成本较高。

国际生产工程学会一直对生态平衡、环境保护、可持续发展给予充分重视，提倡运用有利于保护环境的绿色制造技术。在保证切削液综合性能的基础上，人们正在大力推广应用低毒、低污染的绿色切削液，并努力实现：原料和化学反应绿色化，达到污染物“零排放”；反应条件绿色化，使用无毒无害的溶剂和催化剂等；产品绿色化，使切削液成为对人体健康和环境无害的绿色产品

兰亭序

永和九年，岁在癸丑，暮春之初，会于会稽山阴之兰亭，修禊事也。群贤毕至，少长咸集。此地有崇山峻岭，茂林修竹；又有清流激湍，映带左右，引以为流觞曲水，列坐其次。虽无丝竹管弦之盛，一觞一咏，亦足以畅叙幽情。是日也，天朗气清，惠风和畅，仰观宇宙之大，俯察品类之盛，所以游目骋怀，足以极视听之娱，信可乐也。

夫人之相与，俯仰一世，或取诸怀抱，晤言一室之内；或因寄所托，放浪形骸之外。虽取舍万殊，静躁不同，当其欣于所遇，

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暂得于己，快然自足，不知老之将至。及其所之既倦，情随事迁，感慨系之矣。向之所欣，俯仰之间，已为陈迹，犹不能不以之兴怀。况修短随化，终期于尽。古人云：“死生亦大矣。”岂不痛哉！每览昔人兴感之由，若合一契，未尝不临文嗟悼，不能喻之于怀。固知一死生为虚诞，齐彭殇为妄作。后之视今，亦犹今之视昔。悲夫！故列叙时人，录其所述，虽世殊事异，所以兴怀，其致一也。后之览者，亦将有感于斯文。

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