切削加工中大量使用切削液引發(fā)了環(huán)境污染和危害工人健康等問(wèn)題，而干式切削技術(shù)又存在諸多局限性，因此對(duì)環(huán)境污染小、對(duì)人體無(wú)害的低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)的研究成為機(jī)械加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)是低溫冷風(fēng)切削技術(shù)（Cooling Air，CA）與微量潤(rùn)滑切削技術(shù)(Minimal/Minimum Quantity Lubrication，MQL) 的集成，它既融合了低溫冷風(fēng)切削技術(shù)與微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又彌補(bǔ)了2種切削技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用時(shí)的缺陷，在難加工材料的切削加工上體現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性。

該項(xiàng)技術(shù)是將壓縮空氣與極少量的潤(rùn)滑劑混合汽化后，形成毫、微米級(jí)汽霧噴向切削區(qū)，對(duì)刀具與工件和刀具與切屑的接觸界面進(jìn)行潤(rùn)滑。在減少摩擦和粘結(jié)的同時(shí)也冷卻了切削區(qū)并有利于排屑，從而顯著地改善了切削加工條件。微量潤(rùn)滑技術(shù)的優(yōu)勢(shì)比較明顯：潤(rùn)滑劑以高速霧粒供給，改善了潤(rùn)滑劑的滲透性，提高了冷卻潤(rùn)滑效果；MQL 所使用的潤(rùn)滑劑用量一般為每小時(shí)幾十毫升，而澆注切削液形式的使用量為每分鐘幾十升；MQL技術(shù)使用的潤(rùn)滑劑量很少，且具有綠色環(huán)保特性，既提高了工效，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；切削區(qū)域外的刀具、工件和切屑清潔干燥，切屑經(jīng)過(guò)壓縮就可以回收使用，不會(huì)增加清洗成本；MQL可以根據(jù)工況規(guī)定潤(rùn)滑的最佳濃度，消除了切削液中懸浮粒子污染，改善了工人的工作環(huán)境；MQL系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占地小，易于安裝在各種類(lèi)型的機(jī)床上。

該項(xiàng)技術(shù)是將-100~-10℃的冷風(fēng)經(jīng)噴嘴送至切削區(qū)，可使切削區(qū)的溫度大大降低，同時(shí)引發(fā)被加工材料的低溫脆性，使切削過(guò)程變得較為容易進(jìn)行，并相應(yīng)改善刀具磨損狀況的切削方法。低溫冷風(fēng)切削與傳統(tǒng)切削相比，能夠提高加工效率，改善工件表面質(zhì)量，而且對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)污染。

以上2 種綠色加工技術(shù)雖然優(yōu)點(diǎn)突出，但單獨(dú)使用時(shí)也存在諸多局限性。由于單純依靠潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑作用，沒(méi)有相應(yīng)的制冷設(shè)施，微量潤(rùn)滑切削技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：冷卻性能不足，對(duì)于難加工材料切削區(qū)溫度高的問(wèn)題難以解決；潤(rùn)滑劑在高溫作用下存在潤(rùn)滑油膜破裂、潤(rùn)滑失效等問(wèn)題。高速切削或材料難加工時(shí)，切削區(qū)溫度迅速升高，潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能下降，導(dǎo)致加工性能惡化。而使用低溫冷風(fēng)切削時(shí)，刀具與工件材料的潤(rùn)滑性又較差。如果將低溫介質(zhì)與潤(rùn)滑劑有效結(jié)合，充分利用冷卻介質(zhì)降低切削區(qū)的溫度，利用潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑特性，減小摩擦，則可實(shí)現(xiàn)比大量澆注切削液更佳的冷卻潤(rùn)滑效果。這種低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)不僅避免了對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，而且能保持甚至提高加工質(zhì)量。

北京航空航天大學(xué)綠色制造技術(shù)研究課題組自2005年以來(lái)，一直致力于低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的研究，現(xiàn)已研制出2 套成熟的低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)。

難加工材料，如鈦合金、高溫合金、不銹鋼、高強(qiáng)鋼等，通常具有強(qiáng)度高、抗氧化能力強(qiáng)、耐高溫等特點(diǎn)。它們?cè)跐M足高性能使用要求的同時(shí)，也給切削加工帶來(lái)了很多難題。加工難加工材料時(shí)，切削區(qū)溫度很高，刀具壽命短，零件表面質(zhì)量一般難以達(dá)到目標(biāo)要求。傳統(tǒng)切削液對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，而且相關(guān)研究也表明，切削液的使用會(huì)造成刀具表面的急冷沖擊，引發(fā)崩刃、微裂紋等問(wèn)題，加速了刀具破損。低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)在難加工材料的切削加工上體現(xiàn)了巨大的優(yōu)越性，既滿足了零件加工質(zhì)量的要求，提高了加工效率和刀具使用壽命，又大幅減少了切削液的使用量。

鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高、無(wú)磁、透聲等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金的主要切削性能包括：導(dǎo)熱性能低、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重、高溫時(shí)與氣體發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)、塑性低、彈性模量小、彈性變形大等。切削鈦合金材料時(shí)，粘刀現(xiàn)象明顯，切屑卷曲不易快速排除。

低溫切削鈦合金的方式多采用液氮或低溫冷風(fēng)切削，Nandy A. K.等使用低溫冷風(fēng)混合一定潤(rùn)滑油劑車(chē)削加工鈦合金TC4，并與工廠車(chē)間內(nèi)的傳統(tǒng)加工方式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此方法不僅降低了車(chē)削力，提高了刀具壽命，而且在斷屑、排屑方面優(yōu)勢(shì)突出。此外，Hong S. Y.、Paul S.、VenugopalK. A.等也都采用低溫方式對(duì)鈦合金材料做了切削試驗(yàn)，并得到了不錯(cuò)的試驗(yàn)效果。本課題組采用自主研發(fā)的低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的鈦合金（TC4）銑削試驗(yàn)，分別采用了5種冷卻潤(rùn)滑方式：干式切削、傳統(tǒng)澆注式切削、冷風(fēng)切削（CA）、微量潤(rùn)滑切削（MQL）和低溫微量潤(rùn)滑切削（MQL-CA），并研究了各種冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)刀具磨損、切削力、加工表面質(zhì)量的影響。其中圖1、2分別為不同冷卻潤(rùn)滑方式下的銑削力值、刀具磨損進(jìn)程隨時(shí)間變化曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：在選定的切削參數(shù)，使用低溫微量潤(rùn)滑方式切削鈦合金TC4 能有效減小切削力、刀具磨損，提高刀具壽命，改善已加工表面質(zhì)量，并且實(shí)現(xiàn)了低溫微量潤(rùn)滑切削鈦合金TC4的加工效率比傳統(tǒng)的澆注式切削提高了20%~30%。

高溫合金按基體金屬可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。高溫合金具有優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕特性，在飛機(jī)、火箭等關(guān)鍵件設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用。該材料具有導(dǎo)熱率低、加工硬化嚴(yán)重、切削時(shí)粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具磨損劇烈等特點(diǎn)。

由于GH4169材料的應(yīng)用范圍廣泛，但其加工性能極差，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)該材料的低溫加工特性做了較為深入的研究。Kim S. W.和Zhong Z. W.使用低溫切削高溫合金，延長(zhǎng)了刀具壽命的同時(shí)，還提高了工件的表面質(zhì)量。北京航空航天大學(xué)綠色制造技術(shù)研究課題組在使用低溫微量潤(rùn)滑切削高溫合金GH4169上做了大量研究。其中圖3 是在不同切削參數(shù)下傳統(tǒng)澆注切削與低溫微量潤(rùn)滑切削高溫合金GH4169的銑削力值曲線；圖4 為2 種冷卻潤(rùn)滑方式在不同切削參數(shù)下的工件表面粗糙度值對(duì)比；圖5表示2種冷卻方式下工件表面硬度情況。研究表明，在所選定的切削參數(shù)下，使用低溫微量潤(rùn)滑切削GH4169可以顯著降低切削力、已加工表面粗糙度值，提高刀具壽命，并且工件加工硬化現(xiàn)象也有所改善。

本課題組就1Cr18Ni9Ti不銹鋼作為切削試驗(yàn)對(duì)象，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的相對(duì)可切削性約在0.3～0.5之間，是一種難切削材料，其切削加工特性主要表現(xiàn)在：

（1）高溫強(qiáng)度和高溫硬度高，在700℃時(shí)其機(jī)械性能仍沒(méi)有明顯的降低，故切屑不易被切離，切削過(guò)程中切削力大，刀具易磨損；

（2）塑性和韌性高，延伸率、斷面收縮率和沖擊值都較高，切屑不易切離、卷曲和折斷，切屑變形所消耗的功能增多，并且大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使切削溫度升高；

（3）該材料的導(dǎo)熱率低，散熱差，由切屑帶走的熱量少，大部分的熱量被刀具吸收，致使刀具的溫度升高，加劇刀具磨損；

（4）該材料熔點(diǎn)低，易于粘刀，切削過(guò)程中易形成積屑瘤，影響表面加工質(zhì)量。

由于1Cr18Ni9Ti的切削加工性很差，特別是在斷續(xù)切削時(shí)，刀具極易產(chǎn)生磨損和粘結(jié)破損。本課題組研究了該種不銹鋼在低溫微量潤(rùn)滑條件下的銑削特性。通過(guò)試驗(yàn)比較了不同切削參數(shù)下傳統(tǒng)切削和低溫微量潤(rùn)滑切削的冷卻潤(rùn)滑效果。結(jié)果表明：在所選的材料和切削參數(shù)條件下，采用低溫微量潤(rùn)滑切削在抑制刀具磨損和降低切削力方面的效果明顯好于傳統(tǒng)切削；同時(shí)冷風(fēng)溫度對(duì)刀具磨損有一定的影響，尤其在線速度較大的情況下，冷風(fēng)溫度越低，抑制刀具磨損的效果越好；但冷風(fēng)溫度對(duì)切削力的影響較小。

4在高強(qiáng)鋼切削上的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼是指強(qiáng)度及韌性方面結(jié)合很好的鋼種，抗拉強(qiáng)度一般在1200MPa以上，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后可獲得較高的強(qiáng)度，硬度在HRC30～50之間。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器和零件的性能要求越來(lái)越高，高強(qiáng)鋼的使用更加普遍，零件在制造過(guò)程中的加工難度日益凸顯。高強(qiáng)度鋼具有以下加工特點(diǎn)：切削力大，在相同的切削條件下切削力值是切削45號(hào)鋼的1.17～ 1.49倍；切削溫度高；刀具耐用度低；斷屑性能差。

本課題組就低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)切削高強(qiáng)鋼的應(yīng)用上也做了大量研究。通過(guò)高強(qiáng)鋼的銑削試驗(yàn)比較了干式切削、傳統(tǒng)澆注切削、低溫冷風(fēng)切削和低溫微量潤(rùn)滑切削的冷卻潤(rùn)滑效果，研究了這幾種冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)切削力、刀具磨損、表面粗糙度和切屑的影響。試驗(yàn)結(jié)果證明：在所選的材料和切削參數(shù)條件下，采用低溫微量潤(rùn)滑的銑削力僅為傳統(tǒng)切削的60%，并且其可以較好的抑制刀尖處粘接物的產(chǎn)生，降低刀具磨損，提高工件表面質(zhì)量。試驗(yàn)中觀測(cè)到使用低溫微量潤(rùn)滑方式切削產(chǎn)生的切屑幾乎無(wú)藍(lán)色區(qū)域，藍(lán)色切屑是高溫下切屑被氧化形成的。這說(shuō)明低溫微量潤(rùn)滑方式有效解決了切削高強(qiáng)鋼時(shí)切削區(qū)溫度高的難題。

結(jié)束語(yǔ)

低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)能夠提供與傳統(tǒng)澆注切削相當(dāng)甚至更好的冷卻潤(rùn)滑性能，在適宜的切削參數(shù)下，可以更有效地解決切削難加工材料時(shí)，切削區(qū)溫度高，刀具壽命短等題。它給切削難加工材料提供了一種清潔、高效的方法。