在機械制造領(lǐng)域，切(磨)削加工中使用的切削液對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、處理和排放的各個時期均會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而在加工過程完成以后，清除零件表面切削液附著物時還會產(chǎn)生所謂的“二次效應(yīng)”污染。

　　據(jù)統(tǒng)計， 切削液的使用成本相當(dāng)昂貴，把切削液和有關(guān)設(shè)備的費用、能耗費、處理費、人工費、維修費及材料費加在一起達到了全部制造費用的7%～17%，而全部刀具費用僅為總制造費用的2%～4%。
　　1996年，國際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會頒布了關(guān)于環(huán)境管理的ISO14000 系列標(biāo)準(zhǔn)，德國、美國、加拿大和日本等國家也相繼制定出更加嚴(yán)格的工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)， 進一步限制了切削液的使用。

　　面對降低生產(chǎn)成本， 改善生產(chǎn)條件和可持續(xù)發(fā)展對環(huán)境保護的要求，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、可進行良性循環(huán)的“綠色制造”技術(shù)必將會成為21 世紀(jì)制造領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。

　　1 綠色加工技術(shù)的原理與特點

　　人們在尋找替代原有切削液澆注方法的綠色加工技術(shù)過程中，進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延長使用壽命，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ARAL系列切削液、英國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 個大氣壓)霧化的方式噴射到加工區(qū)，霧化的質(zhì)點顆粒在切削區(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，潤滑作用得以充分發(fā)揮。與切屑有關(guān)的排屑問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)中供給微量潤滑油，則改善效果更加明顯。目前常用的介質(zhì)有空氣、氮氣(有液氮蒸發(fā)后加熱到所需溫度和常溫氮氣冷卻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的一系列環(huán)境負面效應(yīng)。

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

　　實施干切削，并不是簡單地停止切削液的使用，必須要對包括機床、工件特別是刀具在內(nèi)的整個工藝系統(tǒng)進行全面的考慮。目前出現(xiàn)的各種新型刀具(包括采用先進材料的刀具、進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，實際上，對于陶瓷刀具來講，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滑液混合汽化后，噴射到加工區(qū)，對刀具和工件之間的加工部位進行有效的潤滑。在德國，由于人們對它是否同時具有冷卻功能還存在意見上的分歧， 而分別稱之為微量潤滑和微量潤滑冷卻。

　　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， 使用的潤滑液很少，而效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會對環(huán)境造成污染。

　　MQL 法所使用的潤滑液用量非常少， 一般為0.03～0.2L/h，而一臺典型的加工中心在進行濕切削時，切削液用量高達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)過壓縮還可以回收使用，完全不污染環(huán)境，故又稱之為準(zhǔn)干式切削。

　　2 MQL的研究現(xiàn)狀

　　實驗證明MQL技術(shù)在切削液不同種類和用量、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，其刀具壽命可與澆注切削相當(dāng)。而且在油霧潤滑狀態(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驗結(jié)果表明，在低速、低進給情況下，MQL相比澆注切削效果要差一點；在較高切速、較高進給下，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， 在切速為750m/min 以下情況下，相比傳統(tǒng)澆注切削，MQL對抑制刀具磨損是十分有利的。在750m/min時，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，對抑制刀具磨損卻沒有更多幫助。另外在750m/min以上切速時，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，在低速、低進給、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度。

　　以9.6ml/h的某種水溶性油用量普通速度車削S45C 鋼時，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，更能有效地延長刀具磨損。

　　以200ml/h 的某種水溶性油用量普通速度車削中碳鋼時，結(jié)果表明，在低速、高進給情況下，MQL相比澆注切削要好。它不僅降低了切削力和進給力，也減少了切削力的變化幅度， 從而減少了刀具在切削時由于振動而造成的磨損。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，加工直徑8.5mm、長25mm的通孔，切速為 30m/min，進給速度為0.1mm/r。當(dāng)用TiAlN涂層高速鋼鉆頭進行純粹干鉆削時，鉆3.5m的切削長度后鉆頭便被損壞；采用(TiAlN+MoS2)復(fù)合涂層鉆頭和最小潤滑時，鉆削長度增加到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驗中，刀具發(fā)生嚴(yán)重剝落及切屑變色。說明微量潤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驗結(jié)果表明， 這種方法能延長刀具的使用壽命，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)合噴霧潤滑冷卻方法連續(xù)車削不銹鋼的實驗結(jié)果表明， 這種方法能在切削區(qū)潤滑困難的連續(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。而且可以通過改變噴霧中油霧和水霧的用量隨時調(diào)整潤滑和冷卻效果。

a.汽車制造業(yè) b.汽車配件業(yè) c.機床制造業(yè) d.手工業(yè) e.其他工業(yè)

　　3 MQL的實際應(yīng)用

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

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

　　a.汽車制造業(yè) b.汽車配件業(yè) c.機床制造業(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.專機 i.普遍機床 k.其它機床
　　圖1 微量潤滑的應(yīng)用狀況

　　在德國，MQL裝置近幾年來每年有15000套的市場(如圖1)，而且還將進一步增加。MQL與新型刀具的結(jié)合使用也方興未艾。可以預(yù)測，在未來兩三年內(nèi)，德國制造的加工中心中將有5%用MQL與潤滑性涂層刀具相結(jié)合來取代澆注式冷卻。

　　4 MQL的環(huán)境及經(jīng)濟性能評價
　　在許多金屬加工中， 油類的潤滑劑被激烈攪動后在車間空氣中形成污染的油氣霧， 潤滑劑中的添加劑、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；另外油霧還會在廠房上部形成一層粘附物，給日常保養(yǎng)帶來麻煩。因此，對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Cicinati大學(xué)和 Techsolve.Inc.公司的聯(lián)合研究項目進行了MQL和澆注切削下產(chǎn)生的空氣油霧微粒濃度對比實驗，在Tongil TNV-80CNC立式加工中心上分別以11ml/min 和6.5l/min的用量對AISI/SAE 4340鋼件進行了鉆削和銑削。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)在鉆削時是傳統(tǒng)澆注法的340～3300倍；而在銑削時則是其100～140倍。在較高速度及金屬切除率下，這個比值會更大。

　　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遠高于水溶性切削液，甚至使得車間空氣油霧濃度超過當(dāng)前美國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(包括切削液的購買費用、儲存費用及廢液處理費用等)，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)志著人們在擺脫傳統(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、細菌和酶菌等損害健康的因素的同時，卻造成了加工區(qū)油霧微粒濃度迅速增加，同樣對環(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加工帶來了附加的成本。

　　5 MQL尚待深入研究的問題

　　MQL作用機理方面的研究

　　當(dāng)前的實驗研究主要是針對某幾種材料、幾種不同的加工方法的研究，得出的只是局部的結(jié)論，需要更進一步探討MQL切削時油膜的均勻性、滲透性和潤滑冷卻性能的規(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潤滑液輸送方位、出口壓力以及油霧用量的最優(yōu)化

　　一般來講，內(nèi)噴法相比外噴法更能對加工區(qū)進行迅速有效的潤滑，特別適合于封閉式加工，但刀具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。對于外噴法，油泵輸出的油量、噴嘴噴出的油量與實際輸送到刀具上起潤滑作用的油量是不同的。不同的噴嘴方位對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著刀具切出點。這三者的不同參數(shù)用量組合對于提高加工性能、降低生產(chǎn)成本，利于環(huán)境保護的整體效果而言有一個最優(yōu)化的問題， 需要做進一步深入研究。

　　高速切削難加工材料時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)甚至更好的潤滑性能，但其冷卻效果卻不盡人意。高速切削難加工材料時產(chǎn)生的大量熱量不能及時散去，使得切削溫度迅速升高，導(dǎo)致潤滑劑潤滑性能劇烈下降，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的低溫風(fēng)冷和水霧冷卻技術(shù)的深入研究對于難加工材料的高速加工具有重大的意義。

　　加工參數(shù)對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、工件材料等都會對油霧生成率造成影響。比如在較高的切速下，會產(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)計研究

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

　　油霧顆粒的安全性及防護技術(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，不易擴散到空中。對于MQL方法來說，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發(fā)排放油霧裝備的防護技術(shù)對于其在綠色、經(jīng)濟加工道路上的發(fā)展有較大的意義。

　　6 小結(jié)
　　綠色切削研究過程中所涌現(xiàn)出來的眾多技術(shù)均是對傳統(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，使用潤滑液很少，效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會對環(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。