硬态切削--环保冷却润滑技术

由于硬态切削是通过使剪切部分的材料退火变软而形成切屑的，冷却效率过高，从而减小了由切削力而产生的切削效果，加大了机械磨损，缩短了刀具寿命。而在断续切削时，由于施加冷却，刀具承受的热循环加剧，会引起刀片材料发生热疲劳和过早破损。

硬态切削中的金属软化效应是影响刀具寿命、工件表面的完整性、切削效率和加工精度的重要因素。干式切削则提供了一种健康的制造环境，使工作更安全，避免化学物质的有害影响，全面保护生态环境，它已成为目前清洁制造研究的热点。

但是在某些加工中完全实施不使用切削液的干式切削技术是比较困难的，因此美国职业安全和健康委员会(OSHA)根据调查提出了金属切削液使用的新概念，其中包括低温冷却、喷雾冷却(复合喷雾冷却)和将切削油剂用量控制在最小限度之内的微量冷却润滑技术(Minimum Quantit-Cutting Fluid Appli-cation，简称MQCFA)。

一、低温冷却技术

为有效地降低在切削区产生的过高的温度，往往采用将液态气体直接传输到切削区和刀具切削刃附近的低温切削技术。低温切削(Cryogenic Machining)利用液态氮(-186℃)、液体CO2(-76℃)及其他低温液体的冷却特性，可极大地提高刀具寿命、加工精度、表面质量和生产效率，与干式切削相比可减小切削力10%～20%、磨削力60%左右，切削一般钢材时切削温度下降300～400℃。

低温切装置的原理有以下几种：利用瓶装液体CO2的自喷对切削区直接冷却：用经干燥的空气维持杜瓦瓶的恒压，利用虹吸原理让压缩空气从瓶中抽出液态氮，经特制的喷嘴喷向切削区：采用液态氮或CO2从外部冷却工件，来达到降低切削区温度的目的。有的采用刀具内部制冷方法，甚至把刀具与冷冻机直接相连对刀具进行循环冷却，效果也很明显。实验证明，低温切削钛合金、不锈钢、高强度及耐磨铸铁等均能取得良好效果。

实验还表明，低温冷却技术的实施有利于切屑的折断。普通碳素钢的力学性能极大地受切削温度的影响，在低温下易于脆裂，因此切屑在低温条件下呈脆性并比较容易折断，这为低温冷却在切削加工中有助于断屑提供了可行性的基础。

二、喷雾冷却技术

随着高速切削和强力切削的发展，刀具承受着比过去高得多的压力、摩擦力和温度，虽然刀具材料的进步极大地促进了切削效率的提高，但切削区的冷却始终是提高刀具寿命的一条重要措施。鉴于防止废弃切削液对环境的污染，采用喷雾冷却不失为一种较好的选择。喷雾冷却是利用雾滴汽化散热的方法来实现冷却的。汽化的方式分为两种：泡状汽化和层状汽化。

雾化冷却切削区属泡状汽化，当雾滴落于温度较高的表面时，形成汽化中心，气泡的脱离带动雾滴液体剧烈翻动，使雾滴进一步汽化，把热量带走，细小水滴产生相变成为蒸气。浇注式冷却使液体产生层状汽化，汽化时蒸气成层状，汽化层把被加热的表面和冷却介质分离，所以液体浇注冷却仅是对流和热传导起主要作用。

三、最小量冷却润滑技术

金属切削液的冷却、润滑、排屑等作用在加工过程中得不到充分有效的发挥，而废旧冷却液的处理已成为不可忽视的经济和环境因素。为了降低生产成本，减少对环境的污染，就必须限制或废止切削液的使用。

切削液主要有以下负面问题：增加制造成本，在工件总的加工成本中，切削液费用占7%～17%，而刀具的成本大约只占2%～4%；未经处理的切削废液排入江河湖泊，严重破坏了生态环境；水基切削液含有一些对人体有害的化学成分，会引起工人呼吸道和肺部的诸多疾病，与人体直接触会诱发多种皮肤病。在目前还不能很有效地实施干式切削的情况下，采用最小量冷却润滑技术(MQCFA)的准干式切削是比较有效的一种加工方法。


制造业的经济性要兼顾环境保护的重要性，有利于环保的清洁生产加工方式——硬态切削必将得到更深入的研究和推广应用。以低温冷却技术、喷雾冷却技术和最小量冷却润滑技术为代表的切削液使用新概念已引起发达国家企业界和学术界的重视，随着机械工业面临越来越大的环保压力，迫使工厂不得不考虑采用环保型的生产工艺，这对于我国可持续发展战略的实施和经济增长目标的实现将起着积极的作用。