S. Tuemis
[ 德] 柏林工业大学教授

绿色制造的核心是节能减排，机械加工过程产生的废弃物主要是切削液和切屑。特别是切削液的采购、存贮、使用和废弃处置需要专门的技术和物流系统，费用很高，大约占加工成本10% ～ 15%。切削液处理不当会对人的健康以及环境造成危害。近10 年来，随着对生态保护的重视，干切削和近干切削（微量冷却和润滑技术）受到越来越多的关注。

放弃传统的冷却润滑加工方式，转向采用干切削加工，可省去切削液的可观支出。干切削除了能节约成本和提高生产效率外，还能保护员工健康与生态环境。不用与切削液接触，可增加员工对工作的满意度，从而提高工作效率，如图1 所示。此外，公司还可通过宣传使用环保和经济的生产工艺来提高自己的市场形象，达到促进市场营销的目的。

必须指出，干切削决不是简单地停止切削液的供应。切削液具有许多重要功能，当没有切削液时，这些功能必须借助其他措施来完成。首先，切削液可以减少摩擦以及摩擦热量的产生，并能带走切削过程所产生的热。此外，切削液还起到一系列的辅助作用，例如：排屑、清洁刀具、工件和夹具。切削液还可以为工件和机床提供较均匀的温度场，将热变形控制在一定范围之内。

图1 传统湿式切削与干切削的比较

干切削和微量润滑加工

1. 基本概念

在湿加工中，切削液的主要作用是冷却、润滑和排屑。通常根据具体的加工工艺和加工任务选用乳化剂或油作为切削液。乳化剂因其含水量高而具有良好的冷却效果，而油则具有出色的润滑效果。两种介质都能有效地帮助排屑。微量润滑加工中使用的介质主要是油，当然也有用乳化剂和水的，这些介质以微量的形式传送到刀具或加工点。介质的传送可通过空气系统来实现，气泵以连续的精确液滴有选择地为刀具提供介质。也可以先将介质在喷嘴中雾化成极其细小的液滴，然后以气雾喷射的形式输送到加工点。根据所用介质的类型和主要功能，可以分为微量润滑（Minimal Quantity Lubrication–MQL）和微量冷却（Minimal Quantity Cooling–MQC）加工，两者都属于干切削加工的范畴。

2. 影响干切削过程的要素

将干切削引入机械加工过程，必须从系统的角度理解切削过程的各个要素，如工件材料、零件加工精度，加工工艺、冷却润滑介质、切削参数、刀具结构和刀片涂层以及机床性能之间的相互影响，如图2 所示。为了达到理想的技术的和经济的结果，影响干切削过程的各组成部分必须相互协调。对每种加工过程都需要对各种影响因素进行优化设计，才能够达到预期的效果。

图2 影响干切削的各种因素

干切削的工艺设计

要理解干切削的机理和局限性，首先必须理解摩擦和刀具的磨损。切削过程的摩擦机理是由接触物体、环境和作用参数共同决定的。按照摩擦学的定义，摩擦系统包含一个与摩擦相关的基本单元和对应物体，而对应物体的磨损对过程没有决定意义。根据该定义，切削工具代表摩擦系统中的基本单元，而工件则代表对应物体。界面元素和环境介质对摩擦系统的行为产生影响。因此，除了切削液，还要考虑接触区的反应产物和摩擦材料，切削参数也会影响系统的磨损机理。当设计干切削的工艺过程时，必须考虑切削热的形成、排屑、机床和刀具的运动状态。不同加工方法对切削液的需求以及对干切削的适应程度是不同的，如图3 所示。铣削最适合干切削，因为断续的切削过程确保了断屑、排屑和刀刃的冷却。车削时切削区域通常易于接近，也适合采用干切削。干切削时可转位刀具、断屑槽结构和切削参数起到重要作用。孔加工，如钻削、攻丝和铰孔等加工在缺少切削液的情况下往往难以进行，切削热在看不见的切削区内产生，因此将切屑从孔中及时排出非常关键。此外，钻孔时切削速度随着直径减小而降低，导致钻头外刃与中心的载荷不同。铰孔时切削刃和导向刃上载荷的也不同。因此孔加工时引入干切削技术需要仔细分析。

由于切削能量密度高，无法接触到切削区以及极高的表面质量要求等原因，减少磨削等几何不确定加工过程中的切削液是相当困难的。刀具粘结磨损在干切削过程中至关重要。由于工件材料具有延展性，在高温下容易发生机械附着和扩散。现代机加工的材料在干切削的适应性和粘接磨损方面存在明显差异。

推广干切削技术的驱动力来自汽车工业。汽车制造公司主要使用灰铸铁和铝合金等切削力和切削温度较低的材料，比较适合采用干切削。钢和铸铁的车削和铣削可以通过硬质合金镀层刀具的高耐热性来实现干切削。考虑到材料的附着力，锻造合金和高合金不锈钢对干切削工艺设计的要求最高。

基于高速切削和高性能切削的不断应用，越来越多的刀具制造商开始改进标准刀具以适应干切削的不断挑战。具有代表性的进展是改变刀具结构形状和采用高稳定的切削刃，以降低切削力。改进刀具和提高切削参数可以明显提高切屑的流动率。这样可以减少刀具和工件之间的接触时间，加速热移除，提高加工性能。在高速和高性能切削加工时，进给速度可以比传统加工工艺提高两到三倍。

除为干加工专门设计刀具外，不同工艺的干加工也需要与之相适应的MQL 系统。包括输送系统、输送策略、润滑液和接口。在MQL 近干加工操作中，所用介质的第二特性也非常重要，例如生物降解能力、氧化稳定性和储存稳定性等。由于消耗量低，润滑液在长期使用中必须对环境无害并且在化学上稳定。

图3 干切削与工艺过程

图4 干切削与工件材料

图5 主轴内部供给油雾的设计                                图6 主轴内部供给油雾的设计

干切削的机床和外围设备

除了加工工艺的技术设计，干切削同样需要为机床、刀具和辅助设备建立新标准。干切削可以通过旧机床的改造，增加MQL 装置和防护罩来实施，但往往在经济上并不可行。近年来开发的新机床一开始就考虑到干切削和MQL 的要求，例如通过主轴内部供给油雾的设计如图5 所示。在量生产和柔性制造系统中，对干切削机床的要求多种多样。其中最重要的一项是将切屑从工作区移除，以防治切屑堆积，并将机床零部件上的发热减到最小。切屑的可靠移除是对干切削机床的基本要求之一。在移除切屑时，保证切屑与工件，夹具和机床零部件之间不传递热量和动能尤其重要。基本原则就是设计陡峭的工作区和有效的排屑空间。为了保证高生产率，应尽量避免手工除屑。工作区应当有适当的防护板、倾斜面，陡峭定位金属板。另外，光滑而耐磨损的防护板以及立面安装或倾斜的工件可以防止切屑堆积，如图6 所示。

对于高性能机床，选择适当的结构材料特别重要。反应树脂混泥土越来越多地被用作机床结构件的新材料。在车削过程中，由于可接近切削区，切屑通常自动落入切屑输送机。与之相比，铣削产生的切屑或颗粒会严重污染加工区。因为断续切削和转动刀具会产生细小切屑。因此，切屑容易在工作台，夹具和工件上堆积。在这种情况下，可以使用附加装置移除接近加工区的切屑。

在现代干切削中，切削液的消除为加工技术带来了巨大的进步。如今，许多加工工艺和工件材料的加工是通过现代切削刀具和镀层，适当的刀具设计和加工策略，以及机床优化的应用而实现。高性能系统部件确保了工艺的经济性和高生产率，减少了加工时间，极大的提高了工件的质量。当然，干切削技术仍然是一种特殊的解决方案，其主要用于大规模工业生产，如汽车制造。尽管如此，随着干切削的工业应用和相关研究不断增加，可以预见，干切削这项现代高性能加工技术最终将扩展到中小型企业。