綠色技術(shù)在切削加工中的實(shí)施方案XXXxxx（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng)110819）摘要:21世紀(jì)的制造業(yè)實(shí)施綠色制造已勢(shì)在必行,綠色切削加工技術(shù)的研究應(yīng)運(yùn)而生。干切削技術(shù)避免了切削液的副作用,但它對(duì)刀具提出更高的要求;切削液最少量潤(rùn)滑技術(shù)能夠使切削工作處在最佳狀態(tài)下,切削液的使用量達(dá)到最少,但綠色切削液需深入研究。實(shí)現(xiàn)綠色切削加工的關(guān)鍵技術(shù)是:1）開發(fā)刀具技術(shù),包括新型刀具材料和刀具涂層技術(shù)的研究和應(yīng)用,優(yōu)化刀具形狀及結(jié)構(gòu);2）開發(fā)綠色切削液技術(shù),包括切削液的綠色設(shè)計(jì)與綠色使用,開發(fā)切實(shí)可行的廢液處理新工藝。關(guān)鍵詞:綠色切削加工；切削液；干切削；最少量潤(rùn)滑Greentechnologyinthecuttingprocessofthe

implementationoftheprogramxxx（Schoolofmechanicalengineeringandautomation,NortheasternUniversi1t1y0,81S9h）enyangAbstract:intwenty-firstCentury,itisimperativetoimplementgreenmanufacturinginmanufacturingindustry,andtheresearchofgreencuttingtechnologyhasemergedasthetimesrequire.Drycuttingtechnologytoavoidthesideeffectsofcuttingfluid,butitonthetoolputforwardhigherrequirements;cuttingfluidtothesmallamountoflubricatingtechnologytothecuttingworkinthebestcondition,theusageofcuttingfluidisminimal,butgreencuttingfluidneedin-depthstudy.Theauthorbelievesthattheimplementationisthekeytechnologyofgreenmachining:1）developmenttooltechnology,includingtheresearchandapplicationofnewcuttingtoolmaterialandcoatingtechnology,optimizetheshapeandstructureofthetool;2）developmentofgreencuttingfluid,includingtheuseofcuttingfluidforgreendesignandgreencolor,anddeveloppracticalwastewatertreatmentprocess.Keywords:GreenMachiningCuttingFluid;DryCutting;MQL環(huán)境問題和資源問題是當(dāng)前以至今后人類社會(huì)面臨的主要問題。特別是環(huán)境問題隨著工業(yè)的發(fā)展對(duì)人類生活造成的危害與日俱增,這一點(diǎn)已引起人們的重視。機(jī)械制造業(yè)作為社會(huì)財(cái)富的支柱產(chǎn)業(yè),它也是產(chǎn)生環(huán)境問題的主要根源。為了盡可能地減少機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)生的環(huán)境污染,人們提出了綠色制造的模式,以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的目標(biāo)。制造業(yè)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)向前快速發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一,制造業(yè)在將資源轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品以及隨后產(chǎn)品的使用和廢棄后的處理過程中,將會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了不同程度的污染。對(duì)于制造業(yè)來(lái)說(shuō),未來(lái)所面臨解決的重大問題是如何減少資源的消耗以及盡可能少地產(chǎn)生環(huán)境污染。基于以上因素綠色制造應(yīng)運(yùn)而生,其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中,對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小化,對(duì)資源使用效率最優(yōu)化。綠色制造主要包括以下幾方面內(nèi)容:一是制造問題,包括產(chǎn)品生命周期全過程;二是環(huán)境影響問題;三是資源優(yōu)化問題。綠色制造就是這三部分內(nèi)容的交融和有機(jī)集成。多年來(lái),切削液一直是金屬切削加工的重要配套材料。這是因?yàn)槿藗冋J(rèn)識(shí)了切削液的有利作用,即切削液具有優(yōu)良的冷卻和潤(rùn)滑作用。在金屬切削加工中,大量的切削液澆注在切削區(qū),以減少切削中的摩擦和變形,降低切削溫度,從而顯著提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量,延長(zhǎng)刀具使用壽命。隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng),對(duì)使用切削液的負(fù)面效應(yīng)的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越清楚。使用切削液的負(fù)面效應(yīng)主要是:1）增加制造成本:研究成果表明,在歐洲汽車制造業(yè),切削液的成本占總制造成本的16.9%,它包括購(gòu)買切削液的費(fèi)用,使用切削液所需設(shè)備費(fèi),維護(hù)及廢液處理費(fèi)用等。而刀具成本僅占總制造成本的7.5%［1］。2）污染環(huán)境:切削液中含有礦物油及硫、磷、氯等對(duì)環(huán)境有害的添加劑,切削液廢液未經(jīng)處理或處理不當(dāng)排入江河,湖泊,會(huì)污染土地、水源及空氣。3）損害工人健康:切削液中含有有害成分（如硫、亞硝酸胺、甲醛、苯酚類物質(zhì)）,在使用中直接與人體接觸,會(huì)誘發(fā)多種皮膚病;它受熱揮發(fā),形成煙霧,會(huì)引起工人呼吸道和肺部的諸多疾病。從生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)應(yīng)該避免或減少切削液的使用量,綠色切削加工技術(shù)的研究便應(yīng)運(yùn)而生。綠色切削加工技術(shù)是一種充分考慮環(huán)境和資源兩大問題的一種現(xiàn)代制造模式。國(guó)內(nèi)外專家為此努力進(jìn)行了探索和研究。最近提出了干式切削技術(shù)和切削液最少量潤(rùn)滑技術(shù)［5］干式切削技術(shù)干式切削是指在切削加工中不使用切削液的工藝方法。它消除了切削液帶來(lái)的一系列負(fù)面效應(yīng),然而由于在切削中不使用切削液,它會(huì)使切削狀態(tài)惡化,即切削中摩擦加劇,切削溫度升高,排屑不暢,刀具使用壽命縮短和加工表面質(zhì)量降低。因此切削加工必須尋求新技術(shù)和新工藝,以彌補(bǔ)切削液的功能。目前研究比較多的是高速干式切削和冷風(fēng)切削。1.1高速干式切削在不使用切削液的條件下,采用很高的切削速度進(jìn)行切削加工的方法。如德國(guó)某公司用干式切削加工剎車鼓,使用氮化硅陶瓷和立方氮化硼刀具,常832002年第6期用的切削速度為600?1200m/min。采用高速切削,它可以縮短刀具與工件及切屑間的接觸時(shí)間,減少變形,控制切削溫度,提高已加工表面質(zhì)量［2,3］。高速切削在模具領(lǐng)域的應(yīng)用主要是加工復(fù)雜曲面,其中高速銑削（也稱為硬銑削），可以把復(fù)雜形面加工得非常光滑。加工表面粗糙度值很小、淺腔大曲率半徑的模具完全可用高速銑削來(lái)代替電加工;對(duì)深腔小曲率半徑的模具可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工,而電加工只作為精加工。這樣可大大節(jié)約電火花和拋光的時(shí)間以及有關(guān)材料的消耗,這對(duì)保護(hù)環(huán)境的貢獻(xiàn)是不言而喻的。同時(shí),極大地縮短了加工周期,提高了加工效率,降低了加工成本。高速干式切削對(duì)刀具和機(jī)床提出了更高的要求,目前僅適用于鑄鐵、鋁合金等材料的切削加工。1.2低溫冷風(fēng)切削低溫冷風(fēng)切削是一種用-10?-100°C的冷風(fēng)進(jìn)行冷卻的切削方法。日本國(guó)靜岡大學(xué)陳德成先生對(duì)此做了許多工作,他研究用硬質(zhì)合金K10刀具切削不銹鋼和高鋁合金等,采用-10?-30C的冷風(fēng)對(duì)切削區(qū)進(jìn)行冷卻，降低了切削溫度，但潤(rùn)滑性差，若在切削中加入少量植物油可取得好的效果［3,4］。最少量潤(rùn)滑技術(shù)（MininumQuanitityLubrication）最少量潤(rùn)滑（MQL）技術(shù)是指在切削中，切削工作處在最佳狀態(tài)下（即不縮短刀具使用壽命,不降低已加工表面質(zhì)量）,切削液的使用量達(dá)到最少。它的工作原理是以植物油作為切削液,并通過一個(gè)泵供給,植物油和空氣被自動(dòng)混合在噴嘴里,形成毫微米級(jí)氣霧并噴射在切削區(qū),起到冷卻和潤(rùn)滑作用。它的切削液消耗量在50ml/h以下，而正常射流潤(rùn)滑的切削液消耗量可達(dá)6L/min。MQL技術(shù)分為氣霧外部潤(rùn)滑和氣霧內(nèi)部潤(rùn)滑兩種。MQL技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約資源,減少環(huán)境污染，如果使用恰當(dāng),刀具、切屑和工件可保持干燥,避免了廢液處理的麻煩［5】MQL技術(shù)適合于無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)干切削的情況,如磨削加工及難加工材料的切削加工,有廣闊的應(yīng)用前景。但由于目前研究大多數(shù)切削液均為植物油,故在高速加工時(shí)易產(chǎn)生煙霧,不利于操作者的健康。今后該技術(shù)的研究重點(diǎn)應(yīng)放在開發(fā)新型綠色切削液和優(yōu)化噴霧潤(rùn)滑系統(tǒng)方［6］。實(shí)現(xiàn)綠色切削加工的關(guān)鍵技術(shù)3.1開發(fā)刀具技術(shù)3.1.1開發(fā)刀具材料和刀具涂層技術(shù)高速干式切削對(duì)刀具提出了嚴(yán)格的要求,開發(fā)適合干切削加工的刀具材料是實(shí)現(xiàn)干切削的關(guān)鍵之一。作為干切削的刀具材料必須具備更高的耐熱性和耐磨性。目前,陶瓷刀具和立方氮化硼是進(jìn)行干切削的首選刀具材料,其次是超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和粉末冶金高速鋼。刀具表面涂層可減少刀具與切屑和工件表面之間的摩擦,減少切削變形和切削力,降低切削溫度,延長(zhǎng)刀具使用壽命,并改善已加工表面質(zhì)量,彌補(bǔ)了切削液的潤(rùn)滑性和冷卻性。因而,刀具涂層是實(shí)現(xiàn)干切削的有效措施。刀具涂層有三種,一是采用“硬”涂層,即在韌性較好的刀體表面上涂敷一層或多層耐磨性高的難熔化合物如TiC、TiN、AI2O3、金剛石。涂層硬質(zhì)合金、涂層高速鋼可作為干切削刀具。二是采用“軟”涂層,即在刀具表面上涂敷一層固體潤(rùn)滑劑MoS2。這種涂層的特點(diǎn)是刀具表面具有潤(rùn)滑性。三是采用“軟/硬”組合涂層，即在刀具表面上涂敷一層如等硬涂層,再在其上涂敷MoS2的軟涂層［7。3.1.2優(yōu)化刀具幾何參數(shù)及刀具結(jié)構(gòu)刀具合理幾何參數(shù)的選擇一直是切削刀具理論和實(shí)踐的重要課題。對(duì)于干切削,它的優(yōu)化程度起著決定性作用。濕式切削刀具的幾何參數(shù)已不適合干切削,應(yīng)根據(jù)干切削的特點(diǎn)優(yōu)化刀具幾何參數(shù)。合理的刀具結(jié)構(gòu)也是實(shí)現(xiàn)干切削的有效措施。刀具在結(jié)構(gòu)上要保證切屑容易排出,以防止切屑堵塞,要解決散熱問題,以降低切削溫度。3.2開發(fā)綠色切削液干式切削顯然有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),但使用范圍還很有限,最小量潤(rùn)滑還需使用少量切削液。從目前情況看,大多數(shù)切削加工還離不開切削液。所以,完全廢止切削液是不可能的。因而開發(fā)綠色切削液有著很重要的意義。綠色切削液是指對(duì)人和環(huán)境友好的切削液。它在使用過程中對(duì)人體無(wú)害,對(duì)環(huán)境無(wú)污染或低污染,其廢液經(jīng)處理后,可再生利用或安全排放,殘留物質(zhì)在自然界可完全降解。3.2.1切削液的綠色設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)是面向環(huán)境的設(shè)計(jì),切削液的綠色設(shè)計(jì)是在充分考慮切削液性能和成本的同時(shí),還要充分考慮切削液在使用中對(duì)人體無(wú)害,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,且便于廢液處理。這樣從源頭上解決了環(huán)保問題。目前研究開發(fā)的重點(diǎn)是:①研制高效無(wú)毒可生物降解添加劑代替有害添加劑;②用生物降解性好的植物油和合成酯代替礦物油；③發(fā)展水基切削液,特別是微乳化切削液,代替油基切削液。3.2.2切削液的綠色使用切削液在使用中,應(yīng)確保對(duì)人體無(wú)害,對(duì)環(huán)境無(wú)污染或低污染,且減少切削液消耗量。目前應(yīng)主要從以下幾方面考慮：①采用封閉切削和使用保護(hù)裝置;②改進(jìn)供液方法,優(yōu)化噴霧潤(rùn)滑系統(tǒng)（包括噴嘴）參數(shù)，減少切削液的使用量;③加強(qiáng)日常管理，減少?gòu)U液排放量。3.2.3開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的廢液處理新工藝切削液廢液是重要的污染源,如何把廢液對(duì)環(huán)境的危害降到最低程度是一個(gè)極其重要而又不易解決的問題,據(jù)報(bào)道,美國(guó)已開發(fā)先進(jìn)的生物降解處理技術(shù),并已在工業(yè)界得到應(yīng)用。日本降低廢液COD和BOD的做法是采用活性碳吸附和采用活性污泥進(jìn)行處理。今后的主要任務(wù)是大力研究和推廣切削液廢液后處理新工藝、新技術(shù)。結(jié)論綠色制造可以使產(chǎn)品在生命周期內(nèi)的環(huán)境影響達(dá)到最小,并能充分合理地利用資源,是未來(lái)制造業(yè)非常明確的發(fā)展方向,也是人類社會(huì)得以可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。模具設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)與綠色制造的有機(jī)結(jié)合是模具工業(yè)發(fā)展的必然方向,并將大大加快模具行業(yè)前進(jìn)的步伐,真正實(shí)現(xiàn)提高質(zhì)量、減少污染、縮短周期和降低成本的目標(biāo)。21世紀(jì)制造業(yè)實(shí)施綠色制造勢(shì)在必行。它不但提高生產(chǎn)率,降低加工成本,而且有利于環(huán)境保護(hù),節(jié)省自然資源。而實(shí)現(xiàn)綠色切削加工的關(guān)鍵技術(shù)是:1）開發(fā)刀具技術(shù),包括開發(fā)和推廣新型刀具材料和刀具涂層技術(shù),優(yōu)化刀具幾何參數(shù)及刀具結(jié)構(gòu);2）開發(fā)綠色切削液技術(shù),包括切削液的綠色設(shè)計(jì)與綠色使用;經(jīng)濟(jì)有效的廢液處理新工藝的開發(fā)。我們深信,隨著刀具技術(shù)及機(jī)床的深入研究,綠色切削液的開發(fā)與應(yīng)用,必將推動(dòng)綠色切削液加工技術(shù)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]E.Brinksmeier,A.Walter,R.JanssenandP.Diersen,Aspectsofcoolinglubricationreductioninmachiningadvancedmaterials,Proc.Instn.MechEngrs.,1999,vol.213partB:769?777.趙正書，干式切削——一種理想的金屬切削方法，機(jī)械制造,2001,5:26?28。侯世香,劉獻(xiàn)禮等,干式切