干式(绿色)切削技术

数控技术之绿色制造一、绿色制造简介在全球经济高速发展的同时, 人类对自然资源的任意开发利用带来了全球的生态破坏、资源短缺和环境污染等一系列问题。

制造业是创造人类财富的支柱产业, 为人类社会的发展起到了很大促进作用, 但是又是环境污染的主要源头。

为缓解这些问题带来的危害, 必须坚持科学发展观, 实施可持续发展战略, 各国专家普遍认同, 绿色制造是解决机械制造业环境污染问题的根本方法之一, 是控制环境污染源头的主要途径。

绿色制造又称为面向环境制造( MFE) 、环境意识制造( ECM) 等, 其基本观点是协调解决环境和资源两大社会问题,目的是充分利用资源, 减少废弃物的产生, 减少机械制造业对环境的负面影响。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式, 产品从材料的获取、设计、制造、包装、运输、销售、使用和废弃回收, 最后回到土壤中的整个生命循环过程, 使制造业对环境负面影响最小, 资源利用率最高, 产生的废弃物最少, 使企业经济效益和社会效益协调发展。

绿色制造内涵很广, 传统意义上的制造是产品的制造过程, 主要表现为机械加工过程, 即通常称为“小制造”。

绿色制造是一种现代制造模式, 涉及制造工业中的产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和报废处理等一系列相关活动, 因此绿色制造是“大制造”的概念。

绿色制造是人类可持续发展战略在制造业的体现, 它考虑环境和资源既要满足经济发展的需要, 又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要, 从而形成了一种综合性的发展战略, 具有重大的社会效益。

绿色制造将是21 世纪企业取得显著经济效益的机遇实施绿色制造, 最大限度的提高资源利用率, 减少资源消耗, 可直接降低消耗, 从而直接降低成本; 实施绿色制造减少或消除环境污染, 可减少或避免因环境问题引起的处罚; 由于绿色制造是从源头控制了污染, 实行预防为主, 将污染物消除在生产过程之初, 降低了企业环境污染处理费用。

绿色切削技术的研究进展与发展趋势大中小日期: 2010-07-20 来源: 中国刀具商务网采用绿色切削技术的必要性制造业是国民经济和社会发展的物质基础，是创造社会财富的支柱产业。

制造业的发展水平是一个国家综合国力的重要体现。

但是在自然资源开采过程和工业产品的制造过程中，制造业所产生的废气、废渣、废液也造成了环境的严重污染，导致了以资源枯竭和环境恶化为特征的生态危机。

诸如在传统的切削加工过程中通常要使用大量的切削液，尽管切削液在冷却、润滑和辅助排屑中起着重要的作用，但它对资源消耗、环境和人体健康产生了一系列负作用，并且与切削液相关的费用约占加工成本的17%。

采用干式切削技术具有重要的意义，因此，在材料的加工过程中很有必要发展绿色制造技术。

绿色切削技术是绿色制造的一个重要组成部分，该技术是指对生态大环境和加工现场小环境均无毒副作用（或副作用很小），在加工过程中产生少量的废气、废液和废渣，以达到无公害的环保要求，是对人类的健康和环境没有危害的加工技术[1]。

面对人类社会可持续发展的需要，实施绿色制造已经势在必行。

绿色切削技术的研究现状近年来绿色制造技术已成为国际上的研究热点，并且各国都投入大量的人力、物力和财力来发展此工艺。

按照切削工艺构成分类，可以将绿色切削技术分为干式切削技术、微量润滑切削技术、低温冷风切削技术和气体射流切削技术。

针对绿色切削技术，有以下典型学者和机构开展了深入研究。

1994年美国Ecunion公司独家资助，由阿亨工业大学的WZL、戴姆拉·彭兹、蒲吉沃等组成联合课题组，开展硬态切削研究，计划4年完成。

1996年“有利于环保的加工方法”作为德国政府的国家级项目，正式制定了1个3年研究计划来实施硬态切削技术的研究[3]。

近年来，美国阿拉巴马大学的Y.B.Guo教授和乔治亚理工学院的L.Y.Steven教授课题组分别在干式切削技术的原理、应用和工艺的优化方面做了细致且系统的研究，在很大程度上促进了硬态干式切削技术的推广。

浅议干式切削技术摘要:干式切削是一种绿色制造工艺技术,它已成为金属切削加工发展的趋势之一。

干式切削技术是一种不用或微量使用冷却润滑液的绿色切削技术。

绿色干切削技术通常应用于高速切削场合,所以又称为高速干切削。

相对于湿切削,干切削不产生烟雾及排放油污,是适应全球日益迫切的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。

关键词:绿色切削技术高速切削冷却和润滑微量润滑技术1 干式切削加工对刀具的要求切削刀具的性能取决于刀具材料和刀具结构及几何参数。

不同加工方法对刀具的设计侧重点有所不同。

对于干式切削加工刀具必须具备下述性能:(1)刀具应具有较高的耐热性和良好的耐磨性。

(2)切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小。

(3)刀具形状要保证排屑流畅和易于散热。

(4)刀具应具有更高的强度和耐冲击韧性。

在实际生产中,应根据工件材料的物理、力学性能和工序特点,合理选用刀具材料、涂层,优化刀具结构和几何参数,并注意刀具材料与工件材料的匹配,才能设计和制造出适用于干式切削的刀具。

1.1 干式切削加工的刀具材料干式切削时刀具材料最重要的是必须具各高的红硬性和高的耐冲击性。

目前适用于干式加工的刀具材料有超细颗粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷及金属陶瓷材料、金刚石(PCD)及立方氮化硼(CBN)等。

硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物(主要是WC、TiC等,又称高温碳化物)微米级的粉末,用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。

其中高温碳化物含量超过高速钢,允许切削温度高达800～1000℃。

切削中碳钢时,切削速度可达 1.67～3.34m/s(100～200m/min)以上。

涂层刀具、涂层材料及涂层方法涂层刀具的特点涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。

涂层刀具通用性广,加工范围显著扩大,使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。

一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用,因而可以大大减少刀具的品种和库存量,简化刀具管理,降低刀具和设备成本。

绿⾊切削----⼲式切削切削加⼯的绿⾊化是制造业可持续发展的重要⽅向。

⾼速⼲切削是⼀种新型的绿⾊制造⽅式。

与传统的切削⽅式相⽐，⾼速⼲切削技术具有⽣产效率⾼、加⼯质量好、⽆环境污染等特点，具有很⼤的发展潜⼒，是未来切削加⼯发展的⼀个趋势。

⾼速⼲切削技术的产⽣⾼速⼲切削的出现与⾼速切削和⼲切削有密切关系。

⾼速切削具有切削效率⾼、切削⼒⼩、加⼯精度⾼、切削热集中、加⼯过程稳定以及可以加⼯各种难加⼯材料等特点。

随着⾼速机床、加⼯中⼼的不断发展，切削速度和切削功率急剧提⾼，使得单位时间内的⾦属切除量⼤⼤增加，机床的切削液⽤量也越来越⼤。

但⾼速切削时切削液实际上很难到达切削区，⼤量的切削液根本起不到实际的冷却作⽤。

这不仅增加了制造成本，还加重了切削液对资源、环境等⽅⾯的负⾯影响。

⼲切削优点⼲切削具有以下显着优点：·由于不⽤冷却液，降低了⽣产成本；·对环境⽆污染，对操作⼯⽆伤害，有利于清洁⽣产；·提⾼切削效率，部分⼯件加⼯可实现以车代磨；·提⾼被加⼯件的表⾯质量；·适⽤范围⼴，车、铣、刨、钻、镗等⾼速钢⼑具加⼯领域，⼲切削都可以⼤展其能。

⼲切削对⼑具材料的要求⼲切削的⼑具材料必须要有优良的热硬性和耐磨性，以可有效地承受切削过程的⾼温；较低的摩擦系数，以可降低⼑具与切屑与⼯件表⾯之间的摩擦抑制切削温度的上升；较⾼的强度和耐冲击性能，以可承受更⼤的切削⼒和更差的切削条件。

要实现⼲切削，⼑具材料有⾼的耐热性能（热硬性）和耐磨性能尤为必须。

⽬前⽴⽅氮化硼（CBN）、聚晶⽴⽅氮化硼（PCBN）、⾦刚⽯、聚晶⾦刚⽯（PCD）、陶瓷（A12O3、Si3N4）、⾦属陶瓷（CERAMIC）、超细晶粒硬质合⾦和硬质合⾦涂层等⼑具材料已⼴泛⽤于⼲切削之中。

低温冷风切削该切削⽅法是⼀种⽤-10～-100℃的冷风和⾮常微量的植物油代替冷却和润滑油剂冷却的加⼯⽅法。

它由⽇本明治⼤学的横川和彦等最先提出。

绿色切削加工技术是一种充分考虑环境和资源问题的加工技术，它要求在整个加工过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。

目前国内外对绿色切削的研究主要集中在干式切削、低温切削、绿色湿式切削等几个方面。

主要内容：干式切削是指在机械加工中为了保护环境和降低成本而有意识地减少使用或不使用切削液的加工方法。

干式切削分为两种，一种为完全不使用切削液的干式切削，另一种为用气体混合微量润滑剂代替切削液的准干式切削，其使用的是最小量润滑（Minimal Quantity Lubrication，MQL)技术。

采用MQL技术的准干式切削适用于无法完全实现干切削的情况，如磨削加工及难加工材料的切削加工。

采用准干切削加工后，刀具、工件和切削都保持干燥，切削无需处理便可回收利用。

由于干式切削的温度比湿式切削高得多，为实现干式切削，要求刀具材料必须具有较高的红硬性、耐磨性、热韧性和热化学稳定性，并且切屑、工件与刀具之间的摩擦系数应尽可能小。

刀具结构应便于排屑，刀具强度和冲击韧性要高。

目前适用于干式切削的刀具材料有超细颗粒硬质合金、金刚石、立方氮化硼、涂层硬质合金等。

由于采用干式切削有利于环境保护和降低加工成本（可节省加工费用10％-15％），因此干式切削加工技术的研究开发日益受到重视，目前欧洲约10％-15％的批量机械加工已采用干式或准干式切削技术。

低温切削是利用低温流体如液态氮、液态二氧化碳和冷风等碰向加工系统的切削区域，造成切削区的局部低温或超低温状态，利用工件在低温条件下产生的低温脆性，提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量。

根据冷却介质的不同，低温切削可分为冷风切削和液氮冷却切削。

绿色湿式切削是指使用高性能、长寿命、低污染、可降解的新型绿色切削液，最大限度地减少切削液的用量和废液的排放，增加切削液的循环使用次数，并对其实施无害化处理，从而达到绿色环境要求的切削加工方式。

目前绿色湿式切削的研究主要集中在：高性能、长寿命、低污染切削液的开发、最小润滑技术的研究、冷却液净化处理技术的研究等。

绿色高速干式切削技术的研究内容及其发展_绿色制造_先进制造技术1 引言制造业是人类社会的传统产业，它的历史可以追溯到远古时代，人们磨制石器、铜器和铁器用来捕猎。

制造业为人类社会带来物质财富的同时，又给环境造成了严重的污染。

而切削加工作为制造技术的主要基础工艺，是产生污染的重要原因之一。

金属切削加工方法有湿式和干式切削法之分。

目前采用最多的是湿式切削法(即在金属切削加工时，用一定压力和流量的液体(切削液)连续不断地冷却、润滑刀具和工件加工部件的方法)。

这种方法已经使用多年，通常在金属切削加工时使用切削液主要有3个功能：润滑作用，冷却作用，清洗和排屑作用。

这些功能对工件已加工表面质量和刀具耐用度具有明显的影响。

随着高速切削加工技术的迅猛发展，加工过程中切削液的用量越来越大，有时高达80-1OOL／min。

但大量使用切削液造成了许多负面影响，主要表现在以下几个方面。

(1)增加了制造成本。

据国外许多统计资料表明，切削液及切削液的供给、保养、回收及切削废液的处理等费用加在一起，占总制造成本的13％-17％，而刀具消耗的费用仅占制造成本的2％-4％。

(2)造成了环境污染问题。

切削液是金属切削加工中造成环境污染的一个重要根源。

如乳化液不仅含有油，而且含有烧碱、油酸酯、乙醇和苯酚等有害物质。

如果这些切削液未经处理直接排人外界，会对环境造成严重污染。

(3)直接危害操作工人的身体健康。

切削液产生的油烟会引起工人肺部和呼吸道的多种疾病。

切削液与人体直接接触会诱发多种皮肤病[1]。

人类社会已经迈入2l世纪，随着制造技术的发展和环保意识的提高，发展以绿色无污染的高速切削工艺和加工方法成为人们追求的目标。

在这种背景下，取消或减少切削液和润滑剂的使用已成为金属切削工艺发展的必然趋势，于是干式切削工艺的研究便应运而生，干式切削(Dry Cutting)的概念逐步形成。

2 高速干式切削加工技术的提出及发展从20世纪90年代开始，国外对干式切削技术进行了大量研究，1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际生产工程研究会(CIRP)年会上，德国Aachen工业大学的F．Klocke教授作了“干切削”的主题报告；1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B．P．Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告[2]。

干式切削加工技术及其应用随着环境意识在全球范围内的增强以及环保法规的要求越来越严格，传统加工方式中所用的切削液对环境的负面作用也越来越明显。

与此同时，对环境无污染的绿色制造被越来越多的国家和企业所认可，被称为是可持续发展的现代制造业模式。

干式切削加工由于不使用冷却液，可获得洁净、无污染的切屑，省去了大量处理费用，为用户降低了不少成本。

在这样的历史背景下，干式切削技术就产生了，并从上世纪九十年代中期以来迅速发展，是先进制造技术的一个比较前沿性的研究课题。

一绿色制造的定义近年来,由于严峻的资源和环境形势，产生了绿色制造的概念。

所谓的绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,是一个面向环境的复杂的制造系统工程,它把制造过程中涉及到的每一个环节、每一个因素都与对环境的影响和资源的利用紧密结合起来。

绿色制造的目标是使得产品从设计、制造、使用到报废、回收、处理的全产品生命周期中,对环境的负面影响达到最小、资源效率最高、能源消耗最低,实现经济效益和社会效益的协调和优化。

据统计,造成全球环境污染的70%以上排放物来自制造业,它们每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。

因此，绿色制造作为一种新型的制造模式,适应了时代的发展要求，是现代制造业未来的发展方向。

干式切削加工在传统的机械加工方法中，采用了无液切削模式，减少了对环境的污染、节约了大量资源，是绿色制造理念在传统机械加工领域中的一种具体可实践的应用。

二干式切削加工特点（1）切屑干净清洁无污染，易于回收和处理（2）省去了切削液传输，回收，过滤等装置及相应的费用，简化了生产系统，降低了生产成本（3）省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备。

机床结构紧凑，减少占地面积（4）不会产生环境污染（5）不会产生与切削液有关的安全事故及质量事故。

三干式切削实施条件1. 干式切削的刀具技术（1）刀具应具有优异的耐热性能(高温硬度)与耐磨性能（2）尽量减小刀具与切屑间的摩擦系数（3）减少对切削液排屑作用的依赖2. 干式切削的机床技术切削热传出和切屑、尘埃的排出要迅速。

先进制造之绿色干切削技术作者：谢纬安谢国如来源：《科技资讯》2012年第32期摘要：通过对传统湿切削加工不利因素的分析，对比体现了绿色制造中干切削技术具有对环境污染小，能合理利用资源的优势。

阐明了研究干切削技术，使其尽快投入工业应用，对保护生态环境，提高产制造业生产水平，具有十分重要的意义。

关键词：先进制造技术绿色制造干切削切削液中图分类号：TG506.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（b）-0046-01制造是人类社会发展的基石，制造业具有永恒性，任何时代都离不开它，在许多国家它是国民经济的支柱产业，国家经济的发展在很大程度上受到制造业发展的影响。

先进制造技术是制造业为了提高竞争力以适应时代的要求而形成的一个高新技术群，是一个多学科体系，它包容了市场需求、创新设计、工艺技术、生产过程的组织与监控、市场信息的反馈等。

其概念远远超越了传统制造技术界限。

绿色制造技术是以传统制造技术为基础，结合表面技术、材料科学、控制技术等新技术的先进制造工艺技术。

其目的是为了降低成本，合理利用资源和减少对环境的严重污染。

如何实现生产中的绿色制造，是机械行业中值得研究的问题。

1 传统切削的不利影响1.1 造成环境污染在传统的切削加工中，通常使用的切削液分为油基和水基两种，含有多种化学成份。

使用切削液的危害主要是其废液对环境的污染，切削液中所含的矿物油生物降解性差，会长期滞留在土壤和水中。

研究表明，油的含量达到一定程度会破坏水生生物正常的生态，甚至导致水生生物死亡。

同时，切削液中添加剂对环境的污染更是多方面的。

另外，切削液中的有毒有害成分在切屑再生利用时也会对环境造成危害。

1.2 生产成本增加切削用量的不断增大，使切削液的用量不断增加，据国内外统计资料表明，切削液的使用和切削废液的处理占总制造成本的16%，而刀具的成本仅占制造成本的4%。

这个统计数据足以引起人们的高度重视，当今市场竞争日益激烈，降低产品的成本和价格，已成为企业生存与发展必须考虑的问题。

北京理工大学科技成果——绿色干切削工艺技术
成果简介
针对高强度钢、淬硬钢等难加工材料构成的曲轴、连杆、凸轮轴等发动机关键零部件切削加工效率低，以及切削液、固体废弃物和噪声等废流排放量大的特点，通过绿色干切削刀具与工艺的研究、开发和应用，在保证加工质量水平的前提下，大幅度提高了加工效率。

开发出针对发动机零件“以车代半精磨”、“以铣代半精磨”等实用的绿色干切削工艺技术，在保证发动机零件加工质量和效率的前提下，显著减少了污染物排放，提高了加工经济性，达到了绿色制造的目的。

效益分析
绿色干切削工艺技术的应用，可使发动机零件用高强度钢和淬硬钢的加工费用由原来的约55800元/吨（磨削）降低为约47000元/吨（干切削），直接降低曲轴、连杆、凸轮轴制造过程的资源耗费和用于环境保护、排污处理费用约15.7%，同时可降低用于环保的社会总成本约8%，因而具有较好的经济效益和社会效益。

项目来源自行开发
技术领域先进制造
应用范围汽车整车与零部件制造企业、发动机制造企业、模具制造企业。

现状特点国内领先，2006年通过原国防科工委组织的国防科技成果鉴定。

所在阶段工艺定型
成果转让方式技术转让、合作开发、技术服务
市场状况绿色干切削工艺技术是发展汽车工业所必需具备的基础性关键技术之一。

研究成果将使发动机主要零件制造过程达到环保要求并具有“绿色循环”的特性，符合国家有关环境保护和可持续发展的各项要求，减少发动机主要零件制造过程的资源耗费和用于环境保护、排污处理费用约20%，促进企业ISO14000系列认证工作的顺利实施。

绿色切削技术介绍1 引言在金属切削加工过程中，通常都要使用切削液。

切削液的大量使用给环境和人体健康带来了很大危害，作为有毒废料的切削液以及带有切削液的切屑的排放和处理大大增加了回收处理成本，与切削液相关的费用约占加工成本的17％。

迫使人们不断研究开发新技术以改变现状。

因此，近年来绿色制造技术成为国际上的研究热点。

无公害、清洁化、低能耗的绿色制造符合可持续发展战略的要求，是21世纪机械制造业的发展方向，必将推动机械工业的持续、健康发展。

2 干式切削干式切削是指在切削加工过程中不使用任何切削液，完全消除了切削液的负面影响，是一种符合生态要求的绿色切削加工方式。

它的优点主要有：对大气和水环境无污染；切屑上无残液，降低了清洁处理成本；对人的健康无害且不会损伤皮肤或造成过敏。

干式切削技术目前主要应用于铸铁件的加工，在其它方面的推广应用正在进一步研究开发。

干式切削的实施需要满足一定的条件，主要包括：（1）要求机床具有很好的热稳定性和很高的刚度，否则难以保证加工精度。

（2）对刀具提出了新的要求。

主要包括刀具材料的选择和刀具几何参数的设计。

由于干式切削不使用切削液，因此切削温度很高。

只有具有良好导热性、耐高温和高硬度的刀具材料才能满足加工要求。

刀具涂层技术的应用可以延长刀具寿命，较好满足干式切削的要求。

优化刀具的几何参数，也是推动干式切削技术发展的重要手段之一。

目前，干式切削技术还存在许多不足和限制其推广应用的技术难题。

由于失去了切削液的润滑、冷却、辅助排屑等作用，刀具在加工中承受的负荷增大，切削温度升高，刀—屑界面处于完全的二相固体接触状态，刀具磨损过程异常复杂，刀具与工件均易发生热变形，导致刀具使用寿命缩短，加工表面质量降低。

此外，对于机床本身而言，由于不能保持热平衡，机床的床身、立柱等也会因温度升高而发生不容忽视的变形。

干式切削技术的发展主要取决于机床和刀具性能的提高和改进，即：（1）提高机床性能。

一方面提高机床的热稳定性和抗热变形能力；另一方面通过提高机床的主轴转速，发展高速（超高速）干式切削技术，以大幅度提高生产效率，减小切削力，并获得良好的表面加工质量。

干式切削加工技术及其应用2009-5-18id=zoom>制造业是产生工业污染的主要来源之一，其中传统加工所使用的切削液给环境造成了严重的污染。

随着人们对环境保护的日益重视，尤其是环境保护法规的严格实施，对制造业产生的环境污染提出了更高的要求。

一种能减少对环境污染、节约资源和能源的绿色制造技术——干切削加工技术，越来越受到人们的重视。

近年来，许多发达国家在工厂条件允许的情况下正积极地采用干式切削加工技术，以达到减少切削加工的润滑污染、降低加工成本的目的。

1 干式切削加工相关技术干式切削加工技术是在无冷却或少许润滑油、剂的条件下，采用高切削速度进行切削加工的方法。

在于式切削条件下，失去切削液、冷却、清洗、排屑的作用，切削条件非常恶劣。

在切削区域会产生大量的切削热将无法及时的散发，温度和切削力大幅度上升，摩擦力增大，刀具磨损加快，生产效率降低。

因此要使干式切削加工工艺得到很好地推广，充分发挥其优势，克服其缺点，就必须要很好地解决干式切削加工相关地技术难题。

刀具结构干式切削刀具应满足以下要求：刀具材料应有良好的耐热性和耐磨性；切屑及刀具之间的摩擦系数要尽可能小；刀具的结构要保证排屑流畅与散热；刀具应有高的强度和抗冲击韧性。

图1 热管式车刀图2 热管式铣刀图3 ALPHA22钻尖结构刀具结构为了保证干式切削对断屑、排屑及自冷却的要求，必须对刀具结构和几何参数进行优化。

如：在切削力较小的情况下，可采用大前角和大圆度切削角；采用负前角或前后刀面凸起，以延缓月牙哇对刀刃的损伤；增大负刃倾角，改善刀刃及刀头的切入状态，提高刀具的抗冲击和抗热震能力。

图1 为热管式车刀结构、图2为热管式铣刀结构。

其结构特点是在车刀的刀体和铣刀的每个刀齿内部制成空心的热管，配以冷气系统，可把大量的切削热量带走。

图3为德国TITEX公司开发的干式深孔钻头“ALPHA22”钻尖结构。

该钻头刀刃经过专门优化设计，以减少刀具与工件间的接触强度。