干式切削加工技术：绿色制造中的成功应用

2.1.1 干式切削加工技术概述

在切削加工中，加注切削液，为降低切削温度、断屑与排屑起到了很好的作用，但也存在很多弊端。例如，维持一个大型的切削液系统需要花费很多资金，定期添加防腐剂、更换切削液等也增加了很多费用支出。同时，随着高速切削加工技术的迅猛发展，切削液的用量也越来越多，单纯依靠加大切削液用量来降低切削温度的办法已不能满足生产的需要。更重要的是，切削液中的有害物质对环境造成污染，对工人的健康造成伤害，而且对切削液所造成的危害的治理使制造成本显著增加。为此，干式切削技术应运而生。

干式切削技术是对传统生产方式的重大创新，是一种崭新的清洁制造技术。当前，一个以降耗、节能、节材、减废、有利于环境保护和人的身心健康的、实行清洁安全生产的“绿色工程”已在工业发达国家兴起，尤其是欧盟先后实行WEEE、RoHS和ErP三大环保指令，严格约束产品的制造过程及其相关活动，美国、日本等国家也相继立法推行“绿色工程”。干式切削加工技术作为一种新型绿色制造技术，不仅环境污染小，而且可以省去与切削液有关的装置，简化生产系统，能大幅度降低产品生产成本，同时形成的切屑干净清洁，便于回收处理。世界各国日益严厉的环保法规，有利于加速干式切削技术的推广与应用；各种超硬、耐高温刀具材料及其涂层技术发展，为干式切削技术创造了极为有利的条件；标准刀具的出现，使干式切削技术获得了越来越多的应用。它是一种正在兴起的绿色制造技术，对实施人类可持续发展战略有重要意义。目前，干式切削已成为绿色制造工艺的一个研究热点，并在实际加工中得到了成功应用。

2.1.2 干式切削加工的内涵

切削液的主要作用是排屑、降低切削温度以及润滑等，在机械加工中得到了广泛应用。尤其是一些先进制造工艺如超高速切削加工中，它的使用量更是成倍地增长。与此同时，切削液的使用也带来了越来越多的负面问题，如增加了产品成本、造成环境污染等，主要表现在以下几个方面：

1）切削液费用约占零件加工总成本的12%～17%，使零件的生产成本大大提高；

2）加工过程中产生的高温使切削液形成雾状挥发，污染环境，并威胁操作者健康；

3）某些切削液及粘带该切削液的切屑必须作为有毒物质处理，它们既污染环境，处理费用又很高；

4）切削液的渗漏、溢出影响安全生产；用过的切削液含有大量含油废物，向外排放会污染环境。

干式切削加工就是在切削过程中在刀具和工件以及刀具和切屑的接触区不用切削液的加工技术和工艺方法。主要包括两种：一种是不使用任何冷却润滑介质的纯干式切削；另一种是单纯以气体射流为冷却润滑介质的干式切削，气体介质包括：空气、氧气、氮气和氩气等。不使用切削液的干式切削加工并不能简单实现，因为切削液起着三个重要作用：

1）吸收和带走大量切削热，使传入刀具和工件的切削热非常少；

2）在刀具与工件以及刀具与切屑接触界面上形成润滑膜，既减少摩擦，又抑制切屑粘连到刀具上；

3）把切屑迅速冲走。

干式切削加工要在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品质量、高的刀具使用寿命以及切削过程的可靠性，这就需要用性能优良的干式切削刀具、机床以及辅助设施替代传统切削中切削液的作用，来实现真正意义上的干式切削加工。干式切削加工涉及刀具材料、刀具涂层、刀具几何结构、加工机床、切削用量、加工方式方法等各个方面，是制造技术与材料技术以及信息、电子、管理等学科之间的交叉、融合。

干式切削加工意味着在车削、铣削、钻削等切削加工过程中，消除切削液的不利影响，极大地节约加工成本，保护生态环境。现在的制造业对绿色环保的要求越来越高，干式切削加工技术作为一种绿色制造工艺对于节约资源、保护环境、降低成本具有重要意义，随着机床技术、刀具技术和相关工作研究的深入，干式切削技术必将成为金属切削加工的主要方向。

就目前来看，干式切削加工的范围还较为有限，但其研究和应用已经成为加工领域的一个新热点。近年来，在高速切削发展的同时，工业发达国家的机械制造业正在利用现有刀具材料探索干式切削加工新工艺。但干式切削加工并不是简单地取消切削液就能实现，有意义且经济可行的干式切削加工应该是在仔细分析特定的边界条件和掌握影响干式切削加工复杂因素的基础上，为干式切削工艺系统的设计提供所需的数据和资料。

2.1.3 干式切削加工的特点(www.xing528.com)

由于不用切削液，完全消除了切削液导致的一系列负面效应。与切削液切削加工相比，干式切削加工具有以下特点：

1）形成的切屑干净、清洁、无污染，易于回收和处理；

2）省去了与切削液有关的传输、过滤、回收等装置及费用，简化了生产系统，节约了投资和生产成本；

3）省去了与切削液以及与切屑处理有关的费用；

4）不污染环境，也不产生与切削液有关的安全与质量事故。

由于具有以上特点，干式切削加工已成为目前清洁制造工艺研究的热点之一，并在车削、铣削、钻削、镗削等切削加工中得到了成功的应用。

但是与相同条件下的湿式切削加工相比，干式切削加工也有不足的地方，如：

1）由于加工变形能和摩擦能耗增加，使得干式切削加工的能耗增大，切削温度增高；

2）刀具与切屑接触区的摩擦状态及磨损机理发生改变，刀具磨损加快；

3）切屑因较高的热塑性而难以折断和控制，切屑的收集和排除较为困难；

4）加工表面质量易于恶化。

2.1.4 干式切削加工的目标

如何使制造业在生产出不断满足人们物质和文化需求的产品的同时，有效地利用资源和能耗，尽可能少地产生环境污染，已经成为当前制造科学方面要面临和解决的重大问题。为此，经过人们不断的努力，涌现出了许多新的生产方式和生产技术。例如，从20世纪90年代以来，制造业的生产方式已经由高效大量生产型向低环境负荷生产型的方式发展，实现“绿色制造”，如图8-3所示。

图8-3 生产方式指导思想的变迁

干式切削加工技术是绿色制造实施的具体体现之一，是一种先进的制造技术。干式切削加工的目标是：不用或少用切削液能正常地进行加工，降低生产成本，实现洁净加工，较好地协调生态环境、技术与经济之间的关系，实现绿色制造的要求。