在機(jī)械制造領(lǐng)域，切(磨)削加工中使用的切削液對(duì)提高加工效率與加工質(zhì)量具有重要作用， 但切削液在制造、使用、處理和排放的各個(gè)時(shí)期均會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而在加工過(guò)程完成以后，清除零件表面切削液附著物時(shí)還會(huì)產(chǎn)生所謂的“二次效應(yīng)”污染。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)， 切削液的使用成本相當(dāng)昂貴，把切削液和有關(guān)設(shè)備的費(fèi)用、能耗費(fèi)、處理費(fèi)、人工費(fèi)、維修費(fèi)及材料費(fèi)加在一起達(dá)到了全部制造費(fèi)用的7%～17%，而全部刀具費(fèi)用僅為總制造費(fèi)用的2%～4%。
　　1996年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布了關(guān)于環(huán)境管理的ISO14000 系列標(biāo)準(zhǔn)，德國(guó)、美國(guó)、加拿大和日本等國(guó)家也相繼制定出更加嚴(yán)格的工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)， 進(jìn)一步限制了切削液的使用。

　　面對(duì)降低生產(chǎn)成本， 改善生產(chǎn)條件和可持續(xù)發(fā)展對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，更迫于有關(guān)法律的壓力，合理利用制造資源、廢棄物少、環(huán)境污染小、可進(jìn)行良性循環(huán)的“綠色制造”技術(shù)必將會(huì)成為21 世紀(jì)制造領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)。

　　1 綠色加工技術(shù)的原理與特點(diǎn)

　　人們?cè)趯ふ姨娲星邢饕簼沧⒎椒ǖ木G色加工技術(shù)過(guò)程中，進(jìn)行了多方面有益的嘗試，創(chuàng)造出多種具有代表性的切削潤(rùn)滑冷卻技術(shù)) 生物穩(wěn)定型切削液、噴霧冷卻、液氮冷卻、低溫風(fēng)冷切削、MQL及干切削等。從優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)保的角度出發(fā)，上述各種技術(shù)各有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)越性。

　　生物穩(wěn)定型切削液

　　生物穩(wěn)定型切削液依靠其配方中所含的特定成分來(lái)延長(zhǎng)使用壽命，當(dāng)該特定成分的含量降低后(如排放后)就不具有這種抗菌的功能，很容易被生物所分解，對(duì)人體突肪郴?疚蘚ΑＩ?鏤榷ㄐ頹邢饕涸詮?庖研緯上盜脅?罰?⒁淹葡蛑泄?諧。?如Mobilcut系列水溶性切削液、德國(guó)ARAL系列切削液、英國(guó)嘉士多公司的水溶性切削液。

　　噴霧冷卻

　　噴霧冷卻是利用氣液兩相流體的混合體以高壓(3～6 個(gè)大氣壓)霧化的方式噴射到加工區(qū)，霧化的質(zhì)點(diǎn)顆粒在切削區(qū)的高溫作用下發(fā)生相變(汽化)，吸收大量的切削熱。高速氣流中所攜帶的細(xì)小的霧滴容易滲透到切削接觸區(qū)，改善了切削液的滲透性，降低了摩擦和摩擦熱，潤(rùn)滑作用得以充分發(fā)揮。與切屑有關(guān)的排屑問(wèn)題也在不同程度上得以消除。另外還省去了切削液的處理費(fèi)用，減少了環(huán)境污染。噴霧冷卻常采用的介質(zhì)有水、乳化液、植物油及動(dòng)物油等，其中以乳化液應(yīng)用最廣。

　　低溫風(fēng)冷切削

　　低溫風(fēng)冷切削是采用-10～-100℃的冷風(fēng)強(qiáng)烈沖刷加工區(qū)的一種方法。它可以顯著均勻地降低加工區(qū)、刀具及工件的溫度，有效地抑制刀具磨損，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工質(zhì)量。如果在冷風(fēng)中供給微量潤(rùn)滑油，則改善效果更加明顯。目前常用的介質(zhì)有空氣、氮?dú)?有液氮蒸發(fā)后加熱到所需溫度和常溫氮?dú)饫鋮s到所需溫度兩種方式) 和二氧化碳(干冰蒸發(fā))等。

　　液氮冷卻

　　液氮冷卻加工方法采用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進(jìn)行切削加工， 利用材料的低溫脆性，使其在韌性降低、塑性減小的情況下完成切屑和工件的分離。

　　干切削

　　干切削是指在切削加工中不使用切削液的工藝方法， 它從源頭上消除了切削液帶來(lái)的一系列環(huán)境負(fù)面效應(yīng)。

　　干切削技術(shù)起源于歐洲， 目前在西歐各國(guó)也最盛行。美國(guó)LeBlond Makino公司也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用陶瓷刀具和CBN刀具對(duì)鑄鐵進(jìn)行高速干切削的　　　　“紅月牙”工藝并投入實(shí)際生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　實(shí)施干切削，并不是簡(jiǎn)單地停止切削液的使用，必須要對(duì)包括機(jī)床、工件特別是刀具在內(nèi)的整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行全面的考慮。目前出現(xiàn)的各種新型刀具(包括采用先進(jìn)材料的刀具、進(jìn)行涂層處理的刀具和優(yōu)化幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)的刀具) 為干切削的實(shí)施提供了有力的保證。刀具材料性質(zhì)的研究也很有必要，實(shí)際上，對(duì)于陶瓷刀具來(lái)講，由于干切削降低了熱沖擊和熱疲勞的可能，其加工效果往往優(yōu)于普通濕切削。

　　干切削的應(yīng)用在鑄鐵材料上比較成功， 但其范圍還不是很廣泛， 對(duì)鋼和難加工材料的干切削也正在研究之中。

　　MQL

　　MQL技術(shù)是將壓縮氣體與極微量潤(rùn)滑液混合汽化后，噴射到加工區(qū)，對(duì)刀具和工件之間的加工部位進(jìn)行有效的潤(rùn)滑。在德國(guó)，由于人們對(duì)它是否同時(shí)具有冷卻功能還存在意見(jiàn)上的分歧， 而分別稱(chēng)之為微量潤(rùn)滑和微量潤(rùn)滑冷卻。

　　MQL可以大大減少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質(zhì)量的作用， 使用的潤(rùn)滑液很少，而效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

　　MQL 法所使用的潤(rùn)滑液用量非常少， 一般為0.03～0.2L/h，而一臺(tái)典型的加工中心在進(jìn)行濕切削時(shí)，切削液用量高達(dá)20～100L/min。而且MQL技術(shù)只要使用得當(dāng)，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的處理，清潔和干凈的切屑經(jīng)過(guò)壓縮還可以回收使用，完全不污染環(huán)境，故又稱(chēng)之為準(zhǔn)干式切削。

　　2 MQL的研究現(xiàn)狀

　　實(shí)驗(yàn)證明MQL技術(shù)在切削液不同種類(lèi)和用量、不同加工材料、不同刀具、不同加工方法以及不同加工參數(shù)下所表現(xiàn)出來(lái)的加工性能是有差別的。

　　鋁合金的MQL切削

　　采用MQL技術(shù)高速銑削鋁合金時(shí)，其刀具壽命可與澆注切削相當(dāng)。而且在油霧潤(rùn)滑狀態(tài)下，刀具上的材料粘附很少。

　　以20ml/h 的植物油用量鉆削鋁合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低速、低進(jìn)給情況下，MQL相比澆注切削效果要差一點(diǎn)；在較高切速、較高進(jìn)給下，MQL的效果要比澆注切削要好。

　　普通鋼件的MQL切削

　　以30ml/h 的植物油用量銑削S45C 鋼時(shí)， 在切速為750m/min 以下情況下，相比傳統(tǒng)澆注切削，MQL對(duì)抑制刀具磨損是十分有利的。在750m/min時(shí)，逐漸加大植物油用量至30ml/h，發(fā)現(xiàn)刀具磨損狀況隨著用量的增大而改善， 若繼續(xù)增加植物油用量，對(duì)抑制刀具磨損卻沒(méi)有更多幫助。另外在750m/min以上切速時(shí)，刀具磨損迅速加劇，MQL的效果不甚理想。

　　以8.5ml/h 的BP CILORA 128(粘度較高)切削液用量銑削ASSAB 718 HH鋼時(shí)，在低速、低進(jìn)給、低切深情況下，相比傳統(tǒng)澆注切削，MQL技術(shù)大大降低了切削力，減少了后刀面磨損，改善了已加工表面質(zhì)量，避免了切屑中的集中熱應(yīng)力，減小了毛刺重量和長(zhǎng)度。

　　以9.6ml/h的某種水溶性油用量普通速度車(chē)削S45C 鋼時(shí)，MQL在抑制刀具磨損、改善表面粗糙度、控制積屑瘤生成方面達(dá)到和傳統(tǒng)澆注切削相同的水平。若采用含有極壓劑的切削液，更能有效地延長(zhǎng)刀具磨損。

　　以200ml/h 的某種水溶性油用量普通速度車(chē)削中碳鋼時(shí)，結(jié)果表明，在低速、高進(jìn)給情況下，MQL相比澆注切削要好。它不僅降低了切削力和進(jìn)給力，也減少了切削力的變化幅度， 從而減少了刀具在切削時(shí)由于振動(dòng)而造成的磨損。已加工表面質(zhì)量得到了改善，切屑的厚度也比澆注切削下的切屑厚度大。

　　以MQL技術(shù)和涂層刀具相結(jié)合，能夠取得最好的使用效果。當(dāng)使用高速鋼涂層鉆頭加工X90GrMoV18合金鋼時(shí)，加工直徑8.5mm、長(zhǎng)25mm的通孔，切速為 30m/min，進(jìn)給速度為0.1mm/r。當(dāng)用TiAlN涂層高速鋼鉆頭進(jìn)行純粹干鉆削時(shí)，鉆3.5m的切削長(zhǎng)度后鉆頭便被損壞；采用(TiAlN+MoS2)復(fù)合涂層鉆頭和最小潤(rùn)滑時(shí)，鉆削長(zhǎng)度增加到115m。

　　鈦合金、高硅鋁合金及不銹鋼等難加工材料的MQL切削

　　以MQL技術(shù)高速切削鈦合金的實(shí)驗(yàn)中，刀具發(fā)生嚴(yán)重剝落及切屑變色。說(shuō)明微量潤(rùn)滑高速切削難加工材料鈦合金與傳統(tǒng)澆注切削相比還是有一定差距的。

　　以MQL結(jié)合低溫風(fēng)冷技術(shù)切削加工高硅鋁合金零件和不銹鋼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 這種方法能延長(zhǎng)刀具的使用壽命，能抑制積屑瘤的產(chǎn)生，提高加工表面精度， 可省去廢液和廢液處理系統(tǒng)， 降低生產(chǎn)成本，防止環(huán)境污染。

　　以MQL結(jié)合水霧(冷卻)的復(fù)合噴霧潤(rùn)滑冷卻方法連續(xù)車(chē)削不銹鋼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 這種方法能在切削區(qū)潤(rùn)滑困難的連續(xù)切削中有效發(fā)揮作用，可提高已加工表面質(zhì)量并減少工具磨損。而且可以通過(guò)改變噴霧中油霧和水霧的用量隨時(shí)調(diào)整潤(rùn)滑和冷卻效果。

a.汽車(chē)制造業(yè) b.汽車(chē)配件業(yè) c.機(jī)床制造業(yè) d.手工業(yè) e.其他工業(yè)

　　3 MQL的實(shí)際應(yīng)用

　　目前，MQL技術(shù)的加工對(duì)象主要是鑄鐵、鋼和鋁合金上進(jìn)行鉆孔、鉸孔和攻絲加工，以及深孔鉆削和鋁合金的端面銑削等。

　　美國(guó)的Tbyssen公司將潤(rùn)滑系統(tǒng)集成在主軸中，其流量由CNC程序控制，該單元在6.5s時(shí)間內(nèi)可鉆削10個(gè)直徑8mm、中心距為20mm的孔，每小時(shí)使用一杯潤(rùn)滑油，且大部分被蒸發(fā)，切屑中切削液含量大大減少，因此處理費(fèi)用大幅降低。

　　a.汽車(chē)制造業(yè) b.汽車(chē)配件業(yè) c.機(jī)床制造業(yè) d.手工業(yè) e.其他工業(yè) f.高速加工銑床 g.加工中心 h.專(zhuān)機(jī) i.普遍機(jī)床 k.其它機(jī)床
　　圖1 微量潤(rùn)滑的應(yīng)用狀況

　　在德國(guó)，MQL裝置近幾年來(lái)每年有15000套的市場(chǎng)(如圖1)，而且還將進(jìn)一步增加。MQL與新型刀具的結(jié)合使用也方興未艾?？梢灶A(yù)測(cè)，在未來(lái)兩三年內(nèi)，德國(guó)制造的加工中心中將有5%用MQL與潤(rùn)滑性涂層刀具相結(jié)合來(lái)取代澆注式冷卻。

　　4 MQL的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)
　　在許多金屬加工中， 油類(lèi)的潤(rùn)滑劑被激烈攪動(dòng)后在車(chē)間空氣中形成污染的油氣霧， 潤(rùn)滑劑中的添加劑、微生物和其他成分霧化后也同樣可能被操作者吸入體內(nèi)，對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)造成危害，甚至可能致癌；另外油霧還會(huì)在廠(chǎng)房上部形成一層粘附物，給日常保養(yǎng)帶來(lái)麻煩。因此，對(duì)不同加工方法造成的空氣油霧微粒濃度的研究是十分必要的。

　　傳統(tǒng)澆注法與MQL所造成的空氣中油霧微粒濃度是不同的。美國(guó)Cicinati大學(xué)和 Techsolve.Inc.公司的聯(lián)合研究項(xiàng)目進(jìn)行了MQL和澆注切削下產(chǎn)生的空氣油霧微粒濃度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在Tongil TNV-80CNC立式加工中心上分別以11ml/min 和6.5l/min的用量對(duì)AISI/SAE 4340鋼件進(jìn)行了鉆削和銑削。結(jié)果表明，在較低的切削速度和金屬切除率下MQL法造成的空氣中油霧微粒生成率(每分鐘產(chǎn)生的微粒量)在鉆削時(shí)是傳統(tǒng)澆注法的340～3300倍；而在銑削時(shí)則是其100～140倍。在較高速度及金屬切除率下，這個(gè)比值會(huì)更大。

　　另外，不同切削液的油霧微粒生成率也是不同的。同等條件下，純合成液的油霧微粒生成率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水溶性切削液，甚至使得車(chē)間空氣油霧濃度超過(guò)當(dāng)前美國(guó)OSHA(Occupational Safety and HealthAdministration) 和NIOSH(National Institute forOccupational Safety and Health)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

　　MQL相比傳統(tǒng)澆注切削方式能夠大大減少切削液的用量， 避免了廢液的處理，降低了加工成本(包括切削液的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用、儲(chǔ)存費(fèi)用及廢液處理費(fèi)用等)，而且在某些條件下能獲得相等甚至更好的加工性能。它標(biāo)志著人們?cè)跀[脫傳統(tǒng)澆注切削加工的道路上邁出了關(guān)鍵性的一步。但是它也面臨著自身固有的挑戰(zhàn)，即在人們免除了傳統(tǒng)切削液所造成的臭味、細(xì)菌和酶菌等損害健康的因素的同時(shí)，卻造成了加工區(qū)油霧微粒濃度迅速增加，同樣對(duì)環(huán)境及健康造成了不利的影響。另外由于較高的油霧微粒生成量，使得采用MQL加工方法的機(jī)床上必須具有封閉、抽吸通風(fēng)以及空氣清新設(shè)施，給MQL加工帶來(lái)了附加的成本。

　　5 MQL尚待深入研究的問(wèn)題

　　MQL作用機(jī)理方面的研究

　　當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)研究主要是針對(duì)某幾種材料、幾種不同的加工方法的研究，得出的只是局部的結(jié)論，需要更進(jìn)一步探討MQL切削時(shí)油膜的均勻性、滲透性和潤(rùn)滑冷卻性能的規(guī)律以及工件、刀具和切屑在不同的加工方法、切削用量下本質(zhì)變化的內(nèi)在規(guī)律。

　　MQL潤(rùn)滑液輸送方位、出口壓力以及油霧用量的最優(yōu)化

　　一般來(lái)講，內(nèi)噴法相比外噴法更能對(duì)加工區(qū)進(jìn)行迅速有效的潤(rùn)滑，特別適合于封閉式加工，但刀具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。對(duì)于外噴法，油泵輸出的油量、噴嘴噴出的油量與實(shí)際輸送到刀具上起潤(rùn)滑作用的油量是不同的。不同的噴嘴方位對(duì)刀具磨損的影響是比較顯著的。銑削加工中最有效地噴嘴方位是油霧出口正對(duì)著刀具切出點(diǎn)。這三者的不同參數(shù)用量組合對(duì)于提高加工性能、降低生產(chǎn)成本，利于環(huán)境保護(hù)的整體效果而言有一個(gè)最優(yōu)化的問(wèn)題， 需要做進(jìn)一步深入研究。

　　高速切削難加工材料時(shí)MQL與新型刀具、低溫風(fēng)冷技術(shù)和水霧冷卻技術(shù)結(jié)合使用的研究

　　MQL 方法能夠提供和澆注切削相當(dāng)甚至更好的潤(rùn)滑性能，但其冷卻效果卻不盡人意。高速切削難加工材料時(shí)產(chǎn)生的大量熱量不能及時(shí)散去，使得切削溫度迅速升高，導(dǎo)致潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能劇烈下降，加工性能變差。因此，MQL技術(shù)結(jié)合新型刀具及冷卻性能強(qiáng)的低溫風(fēng)冷和水霧冷卻技術(shù)的深入研究對(duì)于難加工材料的高速加工具有重大的意義。

　　加工參數(shù)對(duì)油霧微粒生成率的影響

　　加工參數(shù)如切速、切深、刀具材料、刀具幾何形狀、工件材料等都會(huì)對(duì)油霧生成率造成影響。比如在較高的切速下，會(huì)產(chǎn)生較高的切削溫度，從而加速切削液的蒸發(fā)，導(dǎo)致較高的空氣油霧濃度。

　　MQL油霧發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)研究

　　加工區(qū)不同方位油霧濃度測(cè)量結(jié)果顯示: 空氣中油霧微粒產(chǎn)生的一個(gè)重要來(lái)源不是加工過(guò)程，而是輸送油霧到加工區(qū)的傳送過(guò)程。目前絕大多數(shù)的MQL裝置都是采用壓縮空氣來(lái)作為油霧傳送載體的，因此下一步研究的重點(diǎn)將會(huì)集中于微量油霧傳送單元的設(shè)計(jì)上。另外發(fā)生裝置產(chǎn)生油霧顆粒的大小及分布對(duì)加工性能也有一定的影響。

　　油霧顆粒的安全性及防護(hù)技術(shù)研究

　　加工中產(chǎn)生的油霧顆粒越小，就越容易飄散到空中，被人體吸入。已有的控制顆粒大小的方法之一為添加微量聚合物，如丙烯酸酯或聚異丁烯等，使其與油霧微滴相結(jié)合形成較大、較重的顆粒，不易擴(kuò)散到空中。對(duì)于MQL方法來(lái)說(shuō)，深入研究其產(chǎn)生油霧顆粒的大小和分布，控制其大小和濃度的措施以及開(kāi)發(fā)排放油霧裝備的防護(hù)技術(shù)對(duì)于其在綠色、經(jīng)濟(jì)加工道路上的發(fā)展有較大的意義。

　　6 小結(jié)
　　綠色切削研究過(guò)程中所涌現(xiàn)出來(lái)的眾多技術(shù)均是對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的一種重大創(chuàng)新。作為這些技術(shù)中的重要分支之一，MQL可以大大減少摩擦，抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質(zhì)量，使用潤(rùn)滑液很少，效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。MQL由于其自身的優(yōu)越性必將得到更加廣泛的重視和推廣。