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1 引言

在切削過(guò)程中，三個(gè)變形區(qū)的金屬產(chǎn)生彈性變形、塑性變形及摩擦變形，切削功率的99.5%均轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟谢谱冃危?變形區(qū)）、前刀面摩擦變形（第二變形區(qū)）及擠壓、過(guò)剩變形、后刀面摩擦變形（第三變形區(qū)）所耗能量，并在一瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，出現(xiàn)切屑、刀具切削刃區(qū)域及工件表面溫升的現(xiàn)象。

切削熱是伴隨金屬切削過(guò)程中必然的一種物理現(xiàn)象，對(duì)工件質(zhì)量、刀具壽命有不可忽視的影響。低速切削時(shí)，機(jī)械磨損是刀具磨損的主要原因；而高速切削時(shí)，切削高溫誘導(dǎo)刀具的磨損，由機(jī)械磨損為主轉(zhuǎn)化為擴(kuò)散磨損、相變磨損和炭化磨損為主要磨損機(jī)理，并引發(fā)刀具表面的粘結(jié)磨損。切削熱還使刀具和工件熱膨脹，加劇后刀面摩擦與磨損，引起工件表面粗糙度上升，故超精加工工藝特別強(qiáng)調(diào)必須及時(shí)、有效地控制切削熱在工件、刀具內(nèi)的傳導(dǎo)?？刂频毒?、工件溫升對(duì)數(shù)控加工也具有十分重要的意義。

金屬的切削熱起源于材料的強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性及彈性，研究還表明，影響切削過(guò)程中刀具與工件的溫升與刀具、工件的接觸面積、傳熱系數(shù)、溫差、接觸時(shí)間的長(zhǎng)短等因素有密切關(guān)系。通常情況下，減少吃刀量可減少刀具與熱源的接觸面積；加大冷卻介質(zhì)的流速、流量即為增大傳熱系數(shù)；降低冷卻介質(zhì)的溫度即可增大刀具、工件的熱容量和溫差效應(yīng)；而提高機(jī)床轉(zhuǎn)速和切削速度實(shí)際上是縮短了切削熱的傳導(dǎo)時(shí)間。

由此可見，要控制金屬的切削熱及刀具、工件的溫升，必須綜合考慮多方面因素，除了根據(jù)金屬材料的特性、機(jī)加技術(shù)指標(biāo)，合理選擇刀具、切削工藝參數(shù)以外，zui直接的措施是利用各種冷卻介質(zhì)，迅速帶走刀具和工件上的切削熱量、降低溫度。

2 干式、半干式切削的發(fā)展

1）當(dāng)代金屬切削加工業(yè)的重大課題

在金屬切削加工技術(shù)中有干式切削和濕式切削的兩種方法。在低于180m/min的切削速度下，濕式切削方法能夠獲得理想的切削效果，已被廣泛運(yùn)用。在切削過(guò)程中，切削液主要具有降溫、潤(rùn)滑、排屑等三個(gè)作用。

隨著數(shù)控化的普及、刀具制造技術(shù)的提高，金屬切削機(jī)床的切削速度越來(lái)越快、加工效率越來(lái)越高，隨之所產(chǎn)生的切削熱和刀尖溫升也越來(lái)越快、越來(lái)越高。由于機(jī)床主軸高速回轉(zhuǎn)（8000～60000r/min）會(huì)在刀具周圍產(chǎn)生離心高速、高壓氣流，依靠常規(guī)加大切削液流量、降低切削溫升的辦法已不能達(dá)到理想的效果。而切削液歷來(lái)是金屬切削加工業(yè)的主要污染源，這些有害液體的大量排放，加工時(shí)的飛濺、升騰，以至于粘附在切屑上的露天放置、長(zhǎng)時(shí)間的泄漏、排放，zui終會(huì)污染自然環(huán)境與水源。此外，切削液相關(guān)的費(fèi)用也在逐年增加，使得機(jī)械零件的加工成本逐年上升。

20世紀(jì)90年代初，發(fā)達(dá)國(guó)家的專家們圍繞金屬切削加工過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響問(wèn)題，進(jìn)行了認(rèn)真的研討，各國(guó)政府都拔?？钯Y助以代替油劑濕式切削、清潔加工為目的干式切削加工工藝的研究。1996年9月，ISO14000環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)在歐洲通過(guò)以后，各國(guó)政府都加大了因切削劑污染環(huán)境的處罰力度，制定了非常嚴(yán)格的切削廢液管理、限制使用措施，因此，開發(fā)不使用（或少使用）切削液的加工技術(shù)就成為發(fā)達(dá)國(guó)家金屬切削加工業(yè)所面臨的重大課題；科技界努力創(chuàng)造、研究既能改善加工環(huán)境、節(jié)約能源，又能提率、降低成本的干式加工工藝方法。

2） 干式切削加工法

現(xiàn)代干式切削技術(shù)，就是要研究、尋找不使用（或少使用）切削液，能起到上述三個(gè)作用，改善切削條件、滿足加工要求的方法。

目前，上流行的不使用切削液的切削方法主要有：①*不使用切削液的——全干式切削（高速干式切削法）；②用氣體混合微量潤(rùn)滑劑代替切削液的——半干式切削。

3） 全干式切削法的特點(diǎn)

全干式切削法，也叫高速干式切削法。機(jī)床主軸高速回轉(zhuǎn)（通常在20000～60000r/min），使用高強(qiáng)度刀具，小切深、大走刀，進(jìn)行超高速切削加工。切削熱90%以上被切屑帶走，通過(guò)切削工藝條件的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)切削液化加工，其效率高、成本低，而機(jī)床、刀具投入的技術(shù)與成本很高。目前，歐、美國(guó)家較為流行，德國(guó)處于水平。據(jù)2001年統(tǒng)計(jì)，德國(guó)已有8%左右的企業(yè)采用了這一技術(shù)，預(yù)計(jì)到2005年德國(guó)將有20%以上的企業(yè)采用這一技術(shù)。

4） 半干式切削法的特點(diǎn)

半干式切削法是用氣體加微量無(wú)害油劑代替切削液的降溫、潤(rùn)滑、排屑的切削方式。常見的有：MQL（微量潤(rùn)滑）切削、氮?dú)饬髑邢鳌⒊蜏乩鋮s切削和低溫冷風(fēng)切削。日本較多應(yīng)用，在1998年第19屆東京機(jī)床展覽會(huì)上，日本參展的69臺(tái)機(jī)床中有43臺(tái)具有半干式切削功能。

a. MQL（微量潤(rùn)滑）切削

一種國(guó)外較為流行的半干式切削方法，在常溫壓縮空氣中混入微量的無(wú)公害油霧代替大量切削液，對(duì)切削點(diǎn)實(shí)施冷卻、潤(rùn)滑和排屑。

b. 氮?dú)饬髑邢?

氮?dú)獍l(fā)生裝置把空氣中的氧氣、二氧化碳和水排出，提取氮?dú)?，并將這些常溫氮?dú)鈬娙肭邢鲄^(qū)，以解金屬材料的氧化過(guò)程，并達(dá)到降低溫升的目的。

c. 超低溫冷卻切削

在一定壓力作用下，將-180℃的液氮，或是-76℃的CO2液體送入切削點(diǎn)，代替大量油劑的切削方法。但該方法技術(shù)難度大、成本高。

d. 低溫冷風(fēng)切削

將壓縮空氣的溫度降低到零下20℃～30℃，混入微量潤(rùn)滑劑，對(duì)切削點(diǎn)實(shí)施冷卻、潤(rùn)滑和排屑，這種方法與MQL切削不同之處是超低溫風(fēng)冷，使切削點(diǎn)低溫化。

3 低溫冷風(fēng)切削法

1） 低溫冷風(fēng)對(duì)刀具壽命的影響

在切削過(guò)程中，刀尖切削點(diǎn)的溫升對(duì)刀具壽命的影響很大，低溫冷風(fēng)切削法就是向刀尖的加工部位噴射零下20℃～30℃甚至更低的低溫氣流，并混入微量的植物性潤(rùn)滑劑（每小時(shí)10～20ml），產(chǎn)生低溫氣流降溫、微量油霧潤(rùn)滑切削和排屑的作用。切削點(diǎn)低溫化，不僅使工件材料局部冷脆，有利于切屑的剪切斷裂和降低切削負(fù)荷，同時(shí)也防止了刀具自身的擴(kuò)散磨損、相變磨損和粘結(jié)磨損，微量油霧潤(rùn)滑降低了刀具與工件、刀具與切屑間的摩擦力，使刀具壽命得到延長(zhǎng)。低溫冷風(fēng)切削法尤其適合鈦、鎂、鉬、高硅鋁合金、不銹鋼等難切削材料和薄壁材料的加工。干式、油劑、MQL車削與低溫冷風(fēng)車削的切削性能的對(duì)比情況見圖1。

圖1 切削性能對(duì)比

2） 低溫冷風(fēng)對(duì)加工質(zhì)量的影響

在金屬切削加工過(guò)程中，工件溫度的高低對(duì)表面加工尺寸的穩(wěn)定影響很大。試驗(yàn)證明，低溫冷風(fēng)切削時(shí)，工件和刀具的溫升低、變形小，刀具后端面切削阻力減小。而且，由于切削點(diǎn)的溫度相對(duì)平穩(wěn)，加工表面殘余應(yīng)力小，工件表面質(zhì)量容易保證。在成都寧江機(jī)床廠zui近進(jìn)行的試驗(yàn)中，用金剛石刀具超精加工鋁合金，使用低溫冷風(fēng)切削技術(shù)，工件表面粗糙度高達(dá)Ra0.05µm，而在相同切削條件下使用油劑車削，表面粗糙度僅為Ra0.15µm，顯示出低溫冷風(fēng)噴射切削技術(shù)的*性能。

3） 低溫冷風(fēng)切削的優(yōu)點(diǎn)

干式、半干式切削被稱為新世紀(jì)的切削技術(shù)，而低溫冷風(fēng)切削技術(shù)又是我國(guó)國(guó)情、zui為實(shí)用的一種，它有如下優(yōu)點(diǎn)：

a. 加工效率可成倍提高（低溫冷風(fēng)車削可以提率, 倍，低溫冷風(fēng)磨削可以提率3～4倍，低溫冷風(fēng)內(nèi)冷鉆削方式可以提率20倍左右）；
b. 幾乎無(wú)污染，改善生產(chǎn)條件；
c. 節(jié)約切削劑采購(gòu)費(fèi)，降低生產(chǎn)成本；
d. 切屑可以直接回收，增加經(jīng)濟(jì)效益；
e. 有利于自動(dòng)加工、檢測(cè)和監(jiān)控；
f. 工件尺寸受加工溫度影響很小，質(zhì)量穩(wěn)定；
g. 刀具壽命成倍延長(zhǎng)，降低刀具成本、縮短機(jī)床準(zhǔn)備時(shí)間；
h. 有利于鈦、鎂、鎳鉻合金等難切削材料的加工；
i. 有利于企業(yè)ISO14000和ISO160000標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

圖2 冷風(fēng)切削加工航空零件 圖3 冷風(fēng)切削加工鋁板

低溫冷風(fēng)切削技術(shù)可使刀具的切削效率更高、切削性能更好，應(yīng)用前景廣闊。并使企業(yè)在清潔加工中，既獲得環(huán)保又獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，低溫冷風(fēng)切削技術(shù)在我國(guó)已有應(yīng)用，應(yīng)用實(shí)例可參見圖2、圖3