摘要：硬態切削是兼顧生態環境的重要性和制造業的經濟性的新型制造技術，其切削參數與常規切削過程有很大的差別。文章提出了硬態切削中切削液使用的新概念，即噴霧冷卻、低溫冷卻和最小量冷卻潤滑技術等。并給出了幾種冷卻方式的原理。
　　
　　1 前言
　　硬態切削中的金屬軟化效應是影響刀具壽命、工件表面的完整性、切削效率和加工精度的重要因素。由于硬態切削是通過使剪切部分的材料退火變軟而形成切屑的，冷卻效率過高，從而減小了由切削力而產生的切削效果，加大了機械磨損，縮短了刀具壽命。而在斷續切削時，由于施加冷卻，刀具承受的熱循環加劇，會引起刀片材料發生熱疲勞和過早破損。干式切削則提供了一種健康的制造環境，使工作更安全，避免化學物質的有害影響，全面保護生態環境，它已成為目前清潔制造研究的熱點。但是在某些加工中完全實施不使用切削液的干式切削技術是比較困難的，因此美國職業安全和健康委員會(OSHA)根據調查提出了切削液使用的新概念，其中包括低溫冷卻、噴霧冷卻(復合噴霧冷卻)和將切削油劑用量控制在最小限度之內的微量冷卻潤滑技術(Minimum Quantit-Cutting Fluid Appli-cation，簡稱MQCFA)。
　　2 低溫冷卻技術
　　為有效地降低在切削區產生的過高的溫度，往往采用將液態氣體直接傳輸到切削區和刀具切削刃附近的低溫切削技術。低溫切削(Cryogenic Machining)利用液態氮(-186℃)、液體CO2(-76℃)及其他低溫液體的冷卻特性，可極大地提高刀具壽命、加工精度、表面質量和生產效率，與干式切削相比可減小切削力10%～20%、磨削力60%左右，切削一般鋼材時切削溫度下降300～400℃。
　　
　　低溫切裝置的原理有以下幾種：利用瓶裝液體CO2的自噴對切削區直接冷卻：用經干燥的空氣維持杜瓦瓶的恒壓，利用虹吸原理讓壓縮空氣從瓶中抽出液態氮，經特制的噴嘴噴向切削區：采用液態氮或CO2從外部冷卻工件，來達到降低切削區溫度的目的。有的采用刀具內部制冷方法，甚至把刀具與冷凍機直接相連對刀具進行循環冷卻，效果也很明顯。實驗證明，低溫切削鈦合金、不銹鋼、高強度及耐磨鑄鐵等均能取得良好效果。圖1為采用液態氮(LN)直接冷卻刀頭的低溫切削自動控制裝置，該裝置是由美國Nebraska-Lincoln大學的王志勇博士開發研制的，它成功地解決了用PCBN刀具加工Si3N4陶瓷的難點。從圖2中有限元模型的切削溫度分布可以看出，采用低溫冷卻技術可降低PCBN刀頭的溫度，確保PCBN刀具的紅硬性和金屬軟化效應，大大減少刀具的磨損。
　　實驗還表明，低溫冷卻技術的實施有利于切屑的折斷。普通碳素鋼的力學性能極大地受切削溫度的影響，在低溫下易于脆裂，因此切屑在低溫條件下呈脆性并比較容易折斷，這為低溫冷卻在切削加工中有助于斷屑提供了可行性的基礎。
　　3 噴霧冷卻技術
　　隨著高速切削和強力切削的發展，刀具承受著比過去高得多的壓力、摩擦力和溫度，雖然刀具材料的進步極大地促進了切削效率的提高，但切削區的冷卻始終是提高刀具壽命的一條重要措施。鑒于防止廢棄切削液對環境的污染，采用噴霧冷卻不失為一種較好的選擇。噴霧冷卻是利用霧滴汽化散熱的方法來實現冷卻的。汽化的方式分為兩種：泡狀汽化和層狀汽化。霧化冷卻切削區屬泡狀汽化，當霧滴落于溫度較高的表面時，形成汽化中心，氣泡的脫離帶動霧滴液體劇烈翻動，使霧滴進一步汽化，把熱量帶走，細小水滴產生相變成為蒸氣。澆注式冷卻使液體產生層狀汽化，汽化時蒸氣成層狀，汽化層把被加熱的表面和冷卻介質分離，所以液體澆注冷卻僅是對流和熱傳導起主要作用。
　　
　　噴霧冷卻裝置的氣流元件主要由引流和被引流兩大部分組成，根據引流部分所處位置的不同可分為噴射器和環形氣流放大器兩種。蒸氣噴射器是噴射器中最為典型的一種，其結構如圖3所示，主要由噴嘴、吸入室和擴壓器三大部分組成。噴嘴的功能是產生高速的擾流，對吸入室的氣體產生擾動，帶動吸入室的氣體一起流入擴壓器中，從而產生氣流放大作用。環形氣流放大器(見圖4)的特點是高壓的氣體從縫隙很小的環形間隙流出，形成高速氣流，流入喉部，再從擴張段流出，流動過程中誘發大量周圍的自由空氣一同運動，從而產生較大的氣流輸出。環形氣流放大器由環形氣流室、擴張室和引流室三部分組成，特點是結構比較精巧，通過調節環形氣流室內的氣流參數就可調節總氣流量的大小。
　　在相同切削條件下選用YT15機夾可轉位刀具同時做干式切削和噴霧冷卻切削對比實驗，工件材料為J-55鋼料，采用一般乳化切削液作為噴霧劑，用顯微鏡觀察發現，噴霧冷卻的刀具前刀面磨損很少，刀尖高度稍有磨損，負后刀面沒有明顯磨損，后刀面有一定的磨損量。干式切削負后刀面磨損嚴重，且有深的溝槽，前刀面形成月牙洼，后刀面有一定的磨損量。干式切削時切屑顏色為深蘭色，噴霧冷卻時切屑顏色為土黃色。實驗表明，噴霧冷卻對切削熱的抑制十分有效，經過一段時間切削后，用手觸摸刀具和工件仍有涼感，刀具壽命和生產率大幅度提高。
　　4 最小量冷卻潤滑技術
　　切削液的冷卻、潤滑、排屑等作用在加工過程中得不到充分有效的發揮，而廢舊冷卻液的處理已成為不可忽視的經濟和環境因素。為了降低生產成本，減少對環境的污染，就必須限制或廢止切削液的使用。切削液主要有以下負面問題：增加制造成本，在工件總的加工成本中，切削液費用占7%～17%，而刀具的成本大約只占2%～4%；未經處理的切削廢液排入江河湖泊，嚴重破壞了生態環境；水基切削液含有一些對人體有害的化學成分，會引起工人呼吸道和肺部的諸多疾病，與人體直接觸會誘發多種皮膚病。在目前還不能很有效地實施干式切削的情況下，采用最小量冷卻潤滑技術(MQCFA)的準干式切削是比較有效的一種加工方法。
　　采用MQCFA要掌握的關鍵技術是：(1)如何保證潤滑液可靠地進入切削區，對加工進行充分有效的潤滑；(2)如何確定加工所需的潤滑液用量。目前解決第一個問題主要有兩種方法：一種方法是“外噴法”，將油氣混合物從外部噴向加工區。這種方法簡單易行，但潤滑液的消耗量大，尤其對某些封閉式加工(如鉆、鉸等)效果不好。另一種是“內噴法”，在刀具中開出油氣通道，油氣混合物從這些通道直接噴向加工區，對加工區進行迅速有效的潤滑。這種方法潤滑比較充分，潤滑液的消耗量少，特別適合于封閉式加工，但刀具結構較復雜。而對于第二個問題，目前主要用實驗方法來解決。一臺典型的加工中心在濕式切削中，每分鐘需要20～100L的切削液，而采用MQCFA技術每小時只需要0.03～0.2L的切削液。OSHA制定的切削液標準中規定：空氣中霧劑數量的最大允許值為5.0mg/m3，期望能達到0.5mg/m3，而且生產成本不能過高。
　　5 結束語
　　制造業的經濟性要兼顧環境保護的重要性，有利于環保的清潔生產加工方式———硬態切削必將得到更深入的研究和推廣應用。以低溫冷卻技術、噴霧冷卻技術和最小量冷卻潤滑技術為代表的切削液使用新概念已引起發達國家企業界和學術界的重視，隨著機械工業面臨越來越大的環保壓力，迫使工廠不得不考慮采用環保型的生產工藝，這對于我國可持續發展戰略的實施和經濟增長目標的實現將起著積極的作用。