1997年12月，在日本京都召開了防止地球變暖的國際會(huì)議，會(huì)上通過了“京都議定書”，提出了有害氣體的 排放規(guī)定。議定書通過6年來，已得到世界許多國家的認(rèn)同，俄羅斯也于2004年10月下旬正式批準(zhǔn)該議定書。迄今，在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域已認(rèn)真討論過不少全球環(huán) 境保護(hù)的相關(guān)問題。在機(jī)械加工過程中，為了降低環(huán)境污染程度，已把建立綠色工廠作為重要課題提上議事日程。在切削加工中，切削液的使用存在兩方面的問題， 即使用階段和廢液處理階段均會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等有害氣體，從環(huán)保角度來看，危害性極大。因此，應(yīng)盡可能控制切削液的使用和排放，為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家正在大力 開發(fā)干式和半干式加工技術(shù)。這里重點(diǎn)介紹半干式加工技術(shù)。

    半干式加工系統(tǒng)由硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩大部分組成，硬件技術(shù)包括：主軸及工作臺(tái)等機(jī)械設(shè)備、半干式加工用的 霧液噴供裝置、塵霧回收裝置、切屑處理裝置及所采用的刀具等；軟件技術(shù)包括：設(shè)定最佳加工條件及加工狀態(tài)監(jiān)控手段等，硬件技術(shù)和軟件技術(shù)必須高度配合，融 為一體。切削加工過程大力減少切削液的新技術(shù)，通常稱作“微量切削液供給法”，即MQL(Minimal Quantity Lubrication)。目前，MQL正在制造業(yè)中大力推廣。在實(shí)踐過程中，有些問題亟待解決，有關(guān)的研究開發(fā)工作也正在加緊開展。本文擬就半干式加工 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題作一個(gè)概略的介紹。

    利用主軸供油孔的MQL裝置

與切削液相比，霧液流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量較小，因此，刀具或工件在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，附近發(fā)生的空氣流動(dòng)將會(huì)影響冷卻霧液的流向， 使其不能充分到達(dá)切削位置。這種現(xiàn)象在主軸轉(zhuǎn)速超過10000r/min的高速切削、孔加工、切槽等加工中尤為明顯。解決此問題最有效的手段，便是讓冷卻 霧液經(jīng)過回轉(zhuǎn)主軸的內(nèi)部，再通過鉆頭、立銑刀等回轉(zhuǎn)工具的供油孔，直接送到切削部位。這種由主軸內(nèi)孔供應(yīng)冷卻霧液的方式，在原有的濕式加工中也曾使用過， 但過去供給的是液體，而現(xiàn)在供應(yīng)的卻是霧狀液流，于是便出現(xiàn)了下述問題。

    采用原有主軸供液方式的高速主軸供油孔送出霧液時(shí)主軸轉(zhuǎn)速與霧液噴出量的關(guān)系。由圖可知，主軸轉(zhuǎn)速超過 10000r/min時(shí)，刀具刃尖部噴出的霧液量便急劇下降。原因在于，當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，受離心力的作用，液滴附著在主軸內(nèi)的回轉(zhuǎn)通道內(nèi)壁上；當(dāng)主軸轉(zhuǎn) 速達(dá)30000r/min這樣的高速回轉(zhuǎn)時(shí)，霧液幾乎全從霧流中分離出來，從刀具油孔中噴出的幾乎純?yōu)榭諝?。為了解決這個(gè)問題，研究人員采用了如下措施： (1)讓壓縮空氣和切削液從不同的路線送出，通過主軸，讓兩者在主軸端部的刀柄附近混合，形成霧液；(2)將主軸內(nèi)霧液通道改為非回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，藉以抑制離心 力的作用。在主軸內(nèi)配有特殊結(jié)構(gòu)的非回轉(zhuǎn)線路后，即便在高速回轉(zhuǎn)條件下，也可獲得非常穩(wěn)定的霧液噴出量。

    模擬霧液作用的供給裝置

利用高速回轉(zhuǎn)主軸輸送霧液的供給性能，受霧液粒徑、密度、主軸孔內(nèi)回轉(zhuǎn)路線的形狀、尺寸等因素的制約。為了在設(shè)計(jì)階 段定量預(yù)測出上述各項(xiàng)參數(shù)，研究人員采用通常的流體解析軟件來模擬霧液的作用。圖4即為采用該軟件(Star-CD)解析通過回轉(zhuǎn)線路的作用實(shí)例之一。當(dāng) 主軸不回轉(zhuǎn)時(shí)，霧液從主軸后端直接流向前端；當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，在回轉(zhuǎn)路線內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)性流動(dòng)，液滴受離心力影響，接觸到路線側(cè)壁，這將減少送到主軸前 端的液滴數(shù)量，從而降低冷卻潤滑效果。圖5為通過計(jì)算機(jī)模擬的不同直徑液滴平均可到達(dá)的距離進(jìn)行比較結(jié)果。液滴直徑越小，越不易受離心力的影響，液滴隨著 回轉(zhuǎn)路線的回轉(zhuǎn)旋流，也更容易到達(dá)刀具的刃尖部位。但是，如果液滴直徑過小，當(dāng)它從刀具端部流出后，附著于刃尖或工件加工面的性能也就更差，這些微細(xì)液滴 易于浮游在周邊環(huán)境中，既污染環(huán)境，又減弱了冷卻效果。考慮到各種因素，推薦液滴直徑約2μm最為適用。這一數(shù)值與目前使用的霧液產(chǎn)生裝置的標(biāo)準(zhǔn)水平大體 一致。霧液供給裝置在性能方面的要求是：產(chǎn)生具有最佳霧滴直徑的霧液，利用必要的空氣壓力及適當(dāng)?shù)牧髁?，能夠穩(wěn)定地將霧液輸送到加工部位。
    新型MQL方式的效果

1.  潤滑和冷卻效果良好

霧液通過主軸內(nèi)孔，再由刀具供油孔直接流向加工部位，這種結(jié)構(gòu)和半干式加工組合起來，可獲得良好的潤滑和冷卻效果， 而這是過去采用濕式加工無法達(dá)到的。圖6所示為用鉆頭加工孔的的實(shí)例，試驗(yàn)采用干式、半干式、濕式三種方式加工，圖中列出了各種加工方法產(chǎn)生的刀具后面磨 損寬度比較。結(jié)果表明，采用主軸內(nèi)孔供液的MQL加工，能有效抑制刀具磨損，其結(jié)果與濕式加工大體相同，而其環(huán)保效應(yīng)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于濕式加工。
工件材料：S55C 所用刀具：硬質(zhì)合金鉆頭(Ø5mm) 涂層：TiN 切削速度：200m/min 進(jìn)給量：0.1mm/r 孔深：15mm
圖6 加工孔數(shù)與后刀面磨損的關(guān)系

    2.可實(shí)現(xiàn)小直徑深孔的高速加工

    最近，富士BC技研公司開發(fā)出一種新型霧液裝置EBT系列，這是一種小直徑深孔加工專用的外部混調(diào)內(nèi)部送液 裝置(在機(jī)外調(diào)制成霧液，通過主軸內(nèi)孔，再由刀具供油孔噴出)。EBT系列的霧液噴出量比2000年該公司開發(fā)的同類產(chǎn)品提高3倍以上。另外，在工具生產(chǎn) 廠的配合下，他們在直徑相同的鉆頭上，增大供油孔徑，使噴出的霧液大幅度增加，據(jù)稱霧液噴出量最多可增大7倍。這種裝置與刀具的各種參數(shù)相配合進(jìn)行切削試 驗(yàn)，結(jié)果表明，刀具壽命提高2倍以上；將其用于立式加工進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，無需增添加壓裝置即可進(jìn)行小直徑深孔加工。圖7所示為曲軸油孔的半干式高速加工實(shí)例。

    3.可用于難加工材料的切削加工

    Inconel是一種典型的難加工材料，在這種耐熱合金工件上加工小孔尤其困難。過去大都采用濕式加工，效 率低，污染重；現(xiàn)在采用半干式加工，效率成倍增長，污染也很輕微。如用6mm鉆頭在Inconel工件加工小孔，采用水溶性冷卻液進(jìn)行濕式加工(v= 7～10m/min，f=0.04～0.05mm/r)，加工長度最多可達(dá)30m左右，而采用MQL方式加工(v=15～20m/min，f= 0.06～0.10mm/r)，切削長度可達(dá)186m，約為濕式加工的6倍。由此可見，MQL方式用于難加工材料的切削加工是大有可為的。

    4.汽車行業(yè)大量采用MQL加工技術(shù)

    汽車行業(yè)的鋁合金零件數(shù)量非常多，過去采用濕式加工，污染非常嚴(yán)重，加工效率也不理想。現(xiàn)在，許多廠家正在 考慮大量采用MQL技術(shù)進(jìn)行加工，如馬自達(dá)公司轎車的氣缸體生產(chǎn)線，兩年前就著手全面采用干式和半干式加工方式，目前，除個(gè)別工序外，均已采用MQL加工 技術(shù)。豐田汽車公司在齒輪加工和各種孔加工中，已部分采用干式或MQL方式加工。圖8是富士精工和富士BC技研公司配合開發(fā)的MQL鏜孔刀具。

    刀具涂層的效果

    各類濕式加工均須在高壓下供給大量切削液，而半干式加工則只需要極少量切削液和壓縮空氣，同時(shí)還應(yīng)考慮與加 工過程相關(guān)的其它因素，諸如刀具形狀、材質(zhì)的明顯影響等。圖9所示為硬質(zhì)合金鉆頭和DLC涂層鉆頭在鋁材上加工孔的結(jié)果，就已加工孔的表面粗糙度來看， DLC涂層鉆頭的效果要好得多。在鋁材的半干式加工中，DLC涂層可有效抑制工件材料在刀具切削刃上的粘附現(xiàn)象，因此，DLC涂層可作為防止產(chǎn)生粘附現(xiàn)象 的有效手段。此外，CVD涂層、PVD涂層、鈦化物涂層等，在干式和半干式加工中，作為延長工具壽命的必要技術(shù)，也占有相當(dāng)重要的地位。

    刀具切削刃形狀及螺旋槽形狀

    以空氣作為介質(zhì)的MQL加工，與采用高壓冷卻的濕式加工相比較，前者從加工部位往外排屑的性能較差，尤其是 在鉆頭進(jìn)行深孔加工時(shí)，如果所生成的切屑形狀不理想或切屑不能從已加工孔內(nèi)順利排出，將在短時(shí)間內(nèi)使刀具產(chǎn)生破損。因此，必須重視切削刃形狀、螺旋槽形狀 和摩擦力等因素，它們是保證順利排屑的重要條件。

    供油孔形狀及噴出口的位置

    使用帶供油孔的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具進(jìn)行半干式高速加工時(shí)，供油孔的尺寸和位置對加工性能有著直接的影 響。一般的供油孔均設(shè)置在刀具端部附近，由于半干式加工形態(tài)的特點(diǎn)，霧液往往不能充分送至加工部位。例如，用絲錐加工通孔時(shí)，如果霧液從絲錐端部噴出，則 霧液便會(huì)從通孔出口處流走，冷卻潤滑效果較差；如果霧液從刀具側(cè)面噴出，冷卻潤滑效果將更加顯著。另外，還可在工具系統(tǒng)的彈簧夾頭處設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)拈g隙，從 該處將霧液噴射至刀具整個(gè)側(cè)面，冷卻潤滑效果將更為理想?？傊?，在半干式加工中，工具廠家應(yīng)加緊開發(fā)出帶有適宜的供油孔形狀和噴出口位置的刀具制品，以便 充分發(fā)揮半干式加工的良好效果。

    霧液回收裝置

    MQL加工由于能將霧液噴射裝置所構(gòu)成的系統(tǒng)發(fā)揮出最佳效果，因此可獲得與濕式加工同樣的加工性能。盡管它能用霧液來取代大量的切削液，但在這種半干式加工過程中，還存在尚待解決的問題。

    問題之一是霧液的飄浮將污染工廠環(huán)境。雖然半干式加工所用切削液是以對人體影響較小的植物油為基礎(chǔ)的混合液 體，而且使用量也很少，但操作者長期吸入決非良策。另外，飄浮的霧液粘附在機(jī)床上，容易造成滑溜或傾倒等危害。從機(jī)床方面來看，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)特別重視罩 蓋的高密封性能，應(yīng)預(yù)留安裝霧液回收裝置的位置等。在通常情況下，為了提高霧液回收率，應(yīng)提高回收裝置過濾器的精密程度和增大吸收量。另外，在開發(fā)這類產(chǎn) 品時(shí)，應(yīng)避免由于裝置大型化而帶來電力消耗的增加。目前，廣大用戶迫切希望開發(fā)出高性能、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊的半干式加工專用霧液回收裝置。

    切屑回收裝置

    半干式加工的重要課題之一，是提高排屑性能。飛散于工件或機(jī)床內(nèi)的切屑，隨著霧液的濺射，極易粘附在操作者 的雙手上，要清除這些細(xì)小的塵屑并不是一件容易的事情。因此，采用半干式加工工藝時(shí)，為了排屑順暢，有時(shí)不得不增加一個(gè)噴射高壓冷卻液的工序。盡管目前已 開發(fā)出在加工位置附近安裝吸入切屑的裝置，但隨著加工形態(tài)的變化，該裝置的效果并不理想。因此，今后應(yīng)大力開發(fā)易于排屑的機(jī)床結(jié)構(gòu)及夾具，設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng) 各種加工條件的切屑回收方式，開發(fā)出低粘稠性切削液等。