在機械制造領域，切(磨)削加工中使用的切削液對提高加工效率與加工質量具有重要作用， 但切削液在制造、使用、處理和排放的各個時期均會對環(huán)境造成嚴重污染，而在加工過程完成以后，清除零件表面切削液附著物時還會產生所謂的“二次效應”污染。

　　據(jù)統(tǒng)計， 切削液的使用成本相當昂貴，把切削液和有關設備的費用、能耗費、處理費、人工費、維修費及材料費加在一起達到了全部制造費用的7%～17%，而全部刀具費用僅為總制造費用的2%～4%。
　　1996年，國際標準化協(xié)會頒布了關于環(huán)境管理的ISO14000 系列標準，德國、美國、加拿大和日本等國家也相繼制定出更加嚴格的工業(yè)排放標準， 進一步限制了切削液的使用。
　　面對降低生產成本， 改善生產條件和可持續(xù)發(fā)展對環(huán)境保護的要求，更迫于有關法律的壓力，合理利用制造資源、廢棄物少、環(huán)境污染小、可進行良性循環(huán)的“綠色制造”技術必將會成為21 世紀制造領域的主要發(fā)展趨勢。

1 綠色加工技術的原理與特點

　　人們在尋找替代原有切削液澆注方法的綠色加工技術過程中，進行了多方面有益的嘗試，創(chuàng)造出多種具有代表性的切削潤滑冷卻技術) 生物穩(wěn)定型切削液、噴霧冷卻、液氮冷卻、低溫風冷切削、MQL及干切削等。從優(yōu)質、高效、經(jīng)濟以及環(huán)保的角度出發(fā)，上述各種技術各有其自身的特點和優(yōu)越性。

1. 生物穩(wěn)定型切削液
   　　生物穩(wěn)定型切削液依靠其配方中所含的特定成分來延長使用壽命，當該特定成分的含量降低后(如排放后)就不具有這種抗菌的功能，很容易被生物所分解，對人體和環(huán)境基本無害。生物穩(wěn)定型切削液在國外已形成系列產品，并已推向中國市場， 如Mobilcut系列水溶性切削液、德國ARAL系列切削液、英國嘉士多公司的水溶性切削液。
2. 噴霧冷卻
   　　噴霧冷卻是利用氣液兩相流體的混合體以高壓(3～6 個大氣壓)霧化的方式噴射到加工區(qū)，霧化的質點顆粒在切削區(qū)的高溫作用下發(fā)生相變(汽化)，吸收大量的切削熱。高速氣流中所攜帶的細小的霧滴容易滲透到切削接觸區(qū)，改善了切削液的滲透性，降低了摩擦和摩擦熱，潤滑作用得以充分發(fā)揮。與切屑有關的排屑問題也在不同程度上得以消除。另外還省去了切削液的處理費用，減少了環(huán)境污染。噴霧冷卻常采用的介質有水、乳化液、植物油及動物油等，其中以乳化液應用最廣。
3. 低溫風冷切削
   　　低溫風冷切削是采用-10～-100℃的冷風強烈沖刷加工區(qū)的一種方法。它可以顯著均勻地降低加工區(qū)、刀具及工件的溫度，有效地抑制刀具磨損，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工質量。如果在冷風中供給微量潤滑油，則改善效果更加明顯。目前常用的介質有空氣、氮氣(有液氮蒸發(fā)后加熱到所需溫度和常溫氮氣冷卻到所需溫度兩種方式) 和二氧化碳(干冰蒸發(fā))等。
4. 液氮冷卻
   　　液氮冷卻加工方法采用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進行切削加工， 利用材料的低溫脆性，使其在韌性降低、塑性減小的情況下完成切屑和工件的分離。
5. 干切削
   　　干切削是指在切削加工中不使用切削液的工藝方法， 它從源頭上消除了切削液帶來的一系列環(huán)境負面效應。
   　　干切削技術起源于歐洲， 目前在西歐各國也最盛行。美國LeBlond Makino公司也已經(jīng)開發(fā)出用陶瓷刀具和CBN刀具對鑄鐵進行高速干切削的　　　　“紅月牙”工藝并投入實際生產，取得了良好的經(jīng)濟效益。
   　　實施干切削，并不是簡單地停止切削液的使用，必須要對包括機床、工件特別是刀具在內的整個工藝系統(tǒng)進行全面的考慮。目前出現(xiàn)的各種新型刀具(包括采用先進材料的刀具、進行涂層處理的刀具和優(yōu)化幾何參數(shù)與結構的刀具) 為干切削的實施提供了有力的保證。刀具材料性質的研究也很有必要，實際上，對于陶瓷刀具來講，由于干切削降低了熱沖擊和熱疲勞的可能，其加工效果往往優(yōu)于普通濕切削。 #p#分頁標題#e#
   　　干切削的應用在鑄鐵材料上比較成功， 但其范圍還不是很廣泛， 對鋼和難加工材料的干切削也正在研究之中。
6. MQL
   　　MQL技術是將壓縮氣體與極微量潤滑液混合汽化后，噴射到加工區(qū)，對刀具和工件之間的加工部位進行有效的潤滑。在德國，由于人們對它是否同時具有冷卻功能還存在意見上的分歧， 而分別稱之為微量潤滑和微量潤滑冷卻。
       MQL可以大大減少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質量的作用， 使用的潤滑液很少，而效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會對環(huán)境造成污染。
   　　MQL 法所使用的潤滑液用量非常少， 一般為0.03～0.2L/h，而一臺典型的加工中心在進行濕切削時，切削液用量高達20～100L/min。而且MQL技術只要使用得當，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的處理，清潔和干凈的切屑經(jīng)過壓縮還可以回收使用，完全不污染環(huán)境，故又稱之為準干式切削。

2 MQL的研究現(xiàn)狀

　　實驗證明MQL技術在切削液不同種類和用量、不同加工材料、不同刀具、不同加工方法以及不同加工參數(shù)下所表現(xiàn)出來的加工性能是有差別的。

1. 鋁合金的MQL切削
   　　采用MQL技術高速銑削鋁合金時，其刀具壽命可與澆注切削相當。而且在油霧潤滑狀態(tài)下，刀具上的材料粘附很少。
   　　以20ml/h 的植物油用量鉆削鋁合金的實驗結果表明，在低速、低進給情況下，MQL相比澆注切削效果要差一點；在較高切速、較高進給下，MQL的效果要比澆注切削要好。
2. 普通鋼件的MQL切削
   　　以30ml/h 的植物油用量銑削S45C 鋼時， 在切速為750m/min 以下情況下，相比傳統(tǒng)澆注切削，MQL對抑制刀具磨損是十分有利的。在750m/min時，逐漸加大植物油用量至30ml/h，發(fā)現(xiàn)刀具磨損狀況隨著用量的增大而改善， 若繼續(xù)增加植物油用量，對抑制刀具磨損卻沒有更多幫助。另外在750m/min以上切速時，刀具磨損迅速加劇，MQL的效果不甚理想。
   　　以8.5ml/h 的BP CILORA 128(粘度較高)切削液用量銑削ASSAB 718 HH鋼時，在低速、低進給、低切深情況下，相比傳統(tǒng)澆注切削，MQL技術大大降低了切削力，減少了后刀面磨損，改善了已加工表面質量，避免了切屑中的集中熱應力，減小了毛刺重量和長度。
   　　以9.6ml/h的某種水溶性油用量普通速度車削S45C 鋼時，MQL在抑制刀具磨損、改善表面粗糙度、控制積屑瘤生成方面達到和傳統(tǒng)澆注切削相同的水平。若采用含有極壓劑的切削液，更能有效地延長刀具磨損。
   　　以200ml/h 的某種水溶性油用量普通速度車削中碳鋼時，結果表明，在低速、高進給情況下，MQL相比澆注切削要好。它不僅降低了切削力和進給力，也減少了切削力的變化幅度， 從而減少了刀具在切削時由于振動而造成的磨損。已加工表面質量得到了改善，切屑的厚度也比澆注切削下的切屑厚度大。
   　　以MQL技術和涂層刀具相結合，能夠取得最好的使用效果。當使用高速鋼涂層鉆頭加工X90GrMoV18合金鋼時，加工直徑8.5mm、長25mm的通孔，切速為 30m/min，進給速度為0.1mm/r。當用TiAlN涂層高速鋼鉆頭進行純粹干鉆削時，鉆3.5m的切削長度后鉆頭便被損壞；采用(TiAlN+MoS₂)復合涂層鉆頭和最小潤滑時，鉆削長度增加到115m。
3. 鈦合金、高硅鋁合金及不銹鋼等難加工材料的MQL切削
   　　以MQL技術高速切削鈦合金的實驗中，刀具發(fā)生嚴重剝落及切屑變色。說明微量潤滑高速切削難加工材料鈦合金與傳統(tǒng)澆注切削相比還是有一定差距的。
   　　以MQL結合低溫風冷技術切削加工高硅鋁合金零件和不銹鋼的實驗結果表明， 這種方法能延長刀具的使用壽命，能抑制積屑瘤的產生，提高加工表面精度， 可省去廢液和廢液處理系統(tǒng)， 降低生產成本，防止環(huán)境污染。
   　　以MQL結合水霧(冷卻)的復合噴霧潤滑冷卻方法連續(xù)車削不銹鋼的實驗結果表明， 這種方法能在切削區(qū)潤滑困難的連續(xù)切削中有效發(fā)揮作用，可提高已加工表面質量并減少工具磨損。而且可以通過改變噴霧中油霧和水霧的用量隨時調整潤滑和冷卻效果。#p#分頁標題#e#

3 MQL的實際應用

　　目前，MQL技術的加工對象主要是鑄鐵、鋼和鋁合金上進行鉆孔、鉸孔和攻絲加工，以及深孔鉆削和鋁合金的端面銑削等。
　　美國的Tbyssen公司將潤滑系統(tǒng)集成在主軸中，其流量由CNC程序控制，該單元在6.5s時間內可鉆削10個直徑8mm、中心距為20mm的孔，每小時使用一杯潤滑油，且大部分被蒸發(fā)，切屑中切削液含量大大減少，因此處理費用大幅降低。

a.汽車制造業(yè) b.汽車配件業(yè) c.機床制造業(yè) d.手工業(yè) e.其他工業(yè) f.高速加工銑床 g.加工中心 h.專機 i.普遍機床 k.其它機床
圖1 微量潤滑的應用狀況

4 MQL的環(huán)境及經(jīng)濟性能評價

　　在許多金屬加工中， 油類的潤滑劑被激烈攪動后在車間空氣中形成污染的油氣霧， 潤滑劑中的添加劑、微生物和其他成分霧化后也同樣可能被操作者吸入體內，對人體的呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)造成危害，甚至可能致癌；另外油霧還會在廠房上部形成一層粘附物，給日常保養(yǎng)帶來麻煩。因此，對不同加工方法造成的空氣油霧微粒濃度的研究是十分必要的。
　　傳統(tǒng)澆注法與MQL所造成的空氣中油霧微粒濃度是不同的。美國Cicinati大學和 Techsolve.Inc.公司的聯(lián)合研究項目進行了MQL和澆注切削下產生的空氣油霧微粒濃度對比實驗，在Tongil TNV-80CNC立式加工中心上分別以11ml/min 和6.5l/min的用量對AISI/SAE 4340鋼件進行了鉆削和銑削。結果表明，在較低的切削速度和金屬切除率下MQL法造成的空氣中油霧微粒生成率(每分鐘產生的微粒量)在鉆削時是傳統(tǒng)澆注法的340～3300倍；而在銑削時則是其100～140倍。在較高速度及金屬切除率下，這個比值會更大。
　　另外，不同切削液的油霧微粒生成率也是不同的。同等條件下，純合成液的油霧微粒生成率遠遠高于水溶性切削液，甚至使得車間空氣油霧濃度超過當前美國OSHA(Occupational Safety and HealthAdministration) 和NIOSH(National Institute forOccupational Safety and Health)規(guī)定的標準。
　　MQL相比傳統(tǒng)澆注切削方式能夠大大減少切削液的用量， 避免了廢液的處理，降低了加工成本(包括切削液的購買費用、儲存費用及廢液處理費用等)，而且在某些條件下能獲得相等甚至更好的加工性能。它標志著人們在擺脫傳統(tǒng)澆注切削加工的道路上邁出了關鍵性的一步。但是它也面臨著自身固有的挑戰(zhàn)，即在人們免除了傳統(tǒng)切削液所造成的臭味、細菌和酶菌等損害健康的因素的同時，卻造成了加工區(qū)油霧微粒濃度迅速增加，同樣對環(huán)境及健康造成了不利的影響。另外由于較高的油霧微粒生成量，使得采用MQL加工方法的機床上必須具有封閉、抽吸通風以及空氣清新設施，給MQL加工帶來了附加的成本。

5 MQL尚待深入研究的問題

1. MQL作用機理方面的研究
   　　當前的實驗研究主要是針對某幾種材料、幾種不同的加工方法的研究，得出的只是局部的結論，需要更進一步探討MQL切削時油膜的均勻性、滲透性和潤滑冷卻性能的規(guī)律以及工件、刀具和切屑在不同的加工方法、切削用量下本質變化的內在規(guī)律。
2. MQL潤滑液輸送方位、出口壓力以及油霧用量的最優(yōu)化
   　　一般來講，內噴法相比外噴法更能對加工區(qū)進行迅速有效的潤滑，特別適合于封閉式加工，但刀具結構較復雜。對于外噴法，油泵輸出的油量、噴嘴噴出的油量與實際輸送到刀具上起潤滑作用的油量是不同的。不同的噴嘴方位對刀具磨損的影響是比較顯著的。銑削加工中最有效地噴嘴方位是油霧出口正對著刀具切出點。這三者的不同參數(shù)用量組合對于提高加工性能、降低生產成本，利于環(huán)境保護的整體效果而言有一個最優(yōu)化的問題， 需要做進一步深入研究。 #p#分頁標題#e#
3. 高速切削難加工材料時MQL與新型刀具、低溫風冷技術和水霧冷卻技術結合使用的研究
   　　MQL 方法能夠提供和澆注切削相當甚至更好的潤滑性能，但其冷卻效果卻不盡人意。高速切削難加工材料時產生的大量熱量不能及時散去，使得切削溫度迅速升高，導致潤滑劑潤滑性能劇烈下降，加工性能變差。因此，MQL技術結合新型刀具及冷卻性能強的低溫風冷和水霧冷卻技術的深入研究對于難加工材料的高速加工具有重大的意義。
4. 加工參數(shù)對油霧微粒生成率的影響
   　　加工參數(shù)如切速、切深、刀具材料、刀具幾何形狀、工件材料等都會對油霧生成率造成影響。比如在較高的切速下，會產生較高的切削溫度，從而加速切削液的蒸發(fā)，導致較高的空氣油霧濃度。
5. MQL油霧發(fā)生裝置的設計研究
   　　加工區(qū)不同方位油霧濃度測量結果顯示: 空氣中油霧微粒產生的一個重要來源不是加工過程，而是輸送油霧到加工區(qū)的傳送過程。目前絕大多數(shù)的MQL裝置都是采用壓縮空氣來作為油霧傳送載體的，因此下一步研究的重點將會集中于微量油霧傳送單元的設計上。另外發(fā)生裝置產生油霧顆粒的大小及分布對加工性能也有一定的影響。
6. 油霧顆粒的安全性及防護技術研究
   　　加工中產生的油霧顆粒越小，就越容易飄散到空中，被人體吸入。已有的控制顆粒大小的方法之一為添加微量聚合物，如丙烯酸酯或聚異丁烯等，使其與油霧微滴相結合形成較大、較重的顆粒，不易擴散到空中。對于MQL方法來說，深入研究其產生油霧顆粒的大小和分布，控制其大小和濃度的措施以及開發(fā)排放油霧裝備的防護技術對于其在綠色、經(jīng)濟加工道路上的發(fā)展有較大的意義。

6 小結

　　綠色切削研究過程中所涌現(xiàn)出來的眾多技術均是對傳統(tǒng)生產方式的一種重大創(chuàng)新。作為這些技術中的重要分支之一，MQL可以大大減少摩擦，抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質量，使用潤滑液很少，效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會對環(huán)境造成污染。MQL由于其自身的優(yōu)越性必將得到更加廣泛的重視和推廣。