切削加工节能减排技术的实现途径及微量润滑切削技术

下面介绍切削过程节能减排和新型节能减排切削加工工艺的具体实现途径。

1.切削过程节能减排 主要包括：采用轻量化、智能化机床；优化下料、刀具、工艺路线、工艺参数；优化冷却润滑方式；优选切削液；切削液、切屑回收利用等。

（1）对机床的要求。欧盟“下一代生产系统”研究计划提出，绿色机床应具有的特点如下：

1）机床主要零部件由再生材料制造。

2）机床的重量和体积减少50%以上。

3）通过减轻移动部件重量、降低空运转功率等措施，使功率消耗减少30%～40%。

4）使用过程的各种废弃物减少50%～60%，保证基本没有污染工作环境。

5）报废机床的材料接近100%可回收。

基于此，对机床有以下几方面的要求：

1）采用新材料和新结构使机床轻量化，实现节能，如图8-1所示。包括机床主要零部件由新型材料、再生材料制造，结构设计上采用箱中箱、杆结构等，使机床的重量和体积减小，能耗降低。例如：德国斯图加特大学机床研究所利用有限元方法减少了机床重量，并采用环境性能评价工具，对机床轻量化改进设计前后的能耗进行了比较分析。

2）采用可替代能源（燃料电池等），并具有能量存储/回收能力：热能量回收、电源自动关闭。

3）减少摩擦：摩擦副材料优化、低摩擦轴承。

4）遵循最佳冷却原则：液体比热容优化、热量的经济利用、变频冷却泵。

5）采用多工艺复合机床：例如，铣+钻+车=“铣车复合”。

6）期望智能数控机床具有如下功能：①能够感知其自身的状态和加工能力，并能够进行标定；②能够监视和优化自身的加工行为；③能够对所加工工件的质量进行评估；④具有自学习的能力。

（2）高效加工的实现与被加工材料、刀具材料、刀具几何形状、冷却润滑方式、工件装卡方式及加工参数等密切相关。(www.xing528.com)

刀具材料的选用一般需要针对具体被加工材料及加工参数。对于各种难加工材料，刀具材料和工件材料的力学、物理和化学性能需要合理匹配，才能获得较长的刀具寿命、更高的加工效率和表面质量。合理的切削加工工艺，包括冷却润滑方式、工件装卡方式和切削参数是切削加工的基本控制量，工艺方法和参数的合理选择，可以确保加工产品的质量，降低切削成本，也是加工技术水平和效率的决定因素。

图8-1 机床结构和材料节能设计

（3）在切削加工工艺与节能减排的定量关系方面，国内外尚在研究中。目前基于传统的切削加工工艺手册，无法计算出实际的能耗和排放；对于装备轻量化设计与能耗等的关系，缺少系统的理论研究。

在制造工艺与系统热力学模型关系方面，麻省理工学院机械工程系环境友好制造研究组通过对制造工艺进行热力学分析，用热力学参数表征工艺过程中材料与能量的消耗，建立了制造工艺与系统的热力学量化分析模型。这种方法可用来判断工艺过程中资源消耗在哪些环节，从而在确定或提出一种新的工艺方法时，明确其第一步究竟该做什么。

在切削加工工艺优化与节能减排关系方面，德国达姆施塔特工业大学PTW研究所研究了钻削铸铁材料时金属去除率与能耗的关系。结果表明，随着金属去除率的增大，因材料去除而产生的能耗几乎不变，刀具使用寿命有下降趋势，但机床的能耗亦显著降低。而通过高速加工与高性能加工的对比发现，提高切削速度将会降低比切削力，降低工件热载，提高表面质量；提高进给速度和切削深度将会降低比切削力，但会提高工件热载，降低表面质量。

2.新型节能减排切削加工工艺 新型节能减排切削加工工艺在本章主要指的是新型冷却润滑方式，主要包括：干式切削、低温切削、微量润滑切削、低温微量润滑切削、水蒸气作冷却润滑剂切削等，如图8-2所示。

图8-2 新型冷却润滑方式

（1）干式切削概念及内涵。加工过程中不使用切削液的加工方法，称为干式切削（Dry Machining，DM）。干式切削具有对环境无污染，形成的切屑干净，容易回收，省去了切削液及其相关处理、回收等费用的优点。但同时也对机床结构、刀具材质及结构、加工工艺等提出了更高的要求。

（2）低温切削技术概念及内涵。低温切削技术是指采用冷却介质在切削加工区域形成局部低温状态，利用材料在低温下的物理化学性质，提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量的一种切削加工技术。根据冷却原理的不同，可分为低温冷风切削（包括低沸点介质的间接冷却制冷、空气膨胀式制冷、热电制冷、涡流管制冷和蒸气压缩式制冷）、液氮冷却切削、干冰（CO₂）制冷切削、干式静电冷却切削等技术。

（3）微量润滑切削技术概念及内涵。微量润滑也叫做最小量润滑（Minimal Quantity Lubrication，MQL），是一种金属加工的润滑方式，即半干式切削，指将压缩气体（空气、氮气、二氧化碳等）与极微量的润滑油混合汽化后，形成微米级的液滴，喷射到加工区进行有效润滑的一种切削加工方法。切削液的用量一般仅为0.03～0.2L/h（传统湿式切削的用量为20～100L/min），可有效减小刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦，防止粘结，延长刀具寿命，提高加工表面质量。微量润滑（MQL）适用范围广阔，国内外关于MQL的研究包含了几乎所有的切削工艺，如钻削、铣削、车削和磨削等。

（4）低温微量润滑切削加工技术是将低温切削加工与微量润滑技术相结合的一种切削加工冷却润滑方式。该技术具有低温切削与微量润滑切削两种冷却润滑方式的优点，起到抑制温升、降低刀具磨损和提高工件加工质量的作用。该技术在某些难加工材料的加工上体现了一定的优越性。

（5）水蒸气作冷却润滑剂切削技术概念及内涵。是指用蒸汽发生器产生的过热水蒸气（125～130℃的干燥蒸汽）射流（喷嘴直径为2mm，喷口处汽流速度为150m/s）喷向切削区作冷却润滑剂的切削技术。其对操作者无害，对环境无污染，切屑干燥，无二次处理与排放问题。