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1 引言

在切削過程中，三個變形區的金屬產生彈性變形、塑性變形及摩擦變形，切削功率的99.5%均轉變為剪切滑移變形（*變形區）、前刀面摩擦變形（第二變形區）及擠壓、過剩變形、后刀面摩擦變形（第三變形區）所耗能量，并在一瞬間轉變為熱能，出現切屑、刀具切削刃區域及工件表面溫升的現象。

切削熱是伴隨金屬切削過程中必然的一種物理現象，對工件質量、刀具壽命有不可忽視的影響。低速切削時，機械磨損是刀具磨損的主要原因；而高速切削時，切削高溫誘導刀具的磨損，由機械磨損為主轉化為擴散磨損、相變磨損和炭化磨損為主要磨損機理，并引發刀具表面的粘結磨損。切削熱還使刀具和工件熱膨脹，加劇后刀面摩擦與磨損，引起工件表面粗糙度上升，故超精加工工藝特別強調必須及時、有效地控制切削熱在工件、刀具內的傳導。控制刀具、工件溫升對數控加工也具有十分重要的意義。

金屬的切削熱起源于材料的強度、硬度、韌性、塑性及彈性，研究還表明，影響切削過程中刀具與工件的溫升與刀具、工件的接觸面積、傳熱系數、溫差、接觸時間的長短等因素有密切關系。通常情況下，減少吃刀量可減少刀具與熱源的接觸面積；加大冷卻介質的流速、流量即為增大傳熱系數；降低冷卻介質的溫度即可增大刀具、工件的熱容量和溫差效應；而提高機床轉速和切削速度實際上是縮短了切削熱的傳導時間。

由此可見，要控制金屬的切削熱及刀具、工件的溫升，必須綜合考慮多方面因素，除了根據金屬材料的特性、機加技術指標，合理選擇刀具、切削工藝參數以外，zui直接的措施是利用各種冷卻介質，迅速帶走刀具和工件上的切削熱量、降低溫度。

2 干式、半干式切削的發展

1）當代金屬切削加工業的重大課題

在金屬切削加工技術中有干式切削和濕式切削的兩種方法。在低于180m/min的切削速度下，濕式切削方法能夠獲得理想的切削效果，已被廣泛運用。在切削過程中，切削液主要具有降溫、潤滑、排屑等三個作用。

隨著數控化的普及、刀具制造技術的提高，金屬切削機床的切削速度越來越快、加工效率越來越高，隨之所產生的切削熱和刀尖溫升也越來越快、越來越高。由于機床主軸高速回轉（8000～60000r/min）會在刀具周圍產生離心高速、高壓氣流，依靠常規加大切削液流量、降低切削溫升的辦法已不能達到理想的效果。而切削液歷來是金屬切削加工業的主要污染源，這些有害液體的大量排放，加工時的飛濺、升騰，以至于粘附在切屑上的露天放置、長時間的泄漏、排放，zui終會污染自然環境與水源。此外，切削液相關的費用也在逐年增加，使得機械零件的加工成本逐年上升。

20世紀90年代初，發達國家的專家們圍繞金屬切削加工過程對環境的影響問題，進行了認真的研討，各國政府都拔專款資助以代替油劑濕式切削、清潔加工為目的干式切削加工工藝的研究。1996年9月，ISO14000環境標準在歐洲通過以后，各國政府都加大了因切削劑污染環境的處罰力度，制定了非常嚴格的切削廢液管理、限制使用措施，因此，開發不使用（或少使用）切削液的加工技術就成為發達國家金屬切削加工業所面臨的重大課題；科技界努力創造、研究既能改善加工環境、節約能源，又能提率、降低成本的干式加工工藝方法。

2） 干式切削加工法

現代干式切削技術，就是要研究、尋找不使用（或少使用）切削液，能起到上述三個作用，改善切削條件、滿足加工要求的方法。

目前，上流行的不使用切削液的切削方法主要有：①*不使用切削液的——全干式切削（高速干式切削法）；②用氣體混合微量潤滑劑代替切削液的——半干式切削。

3） 全干式切削法的特點

全干式切削法，也叫高速干式切削法。機床主軸高速回轉（通常在20000～60000r/min），使用高強度刀具，小切深、大走刀，進行超高速切削加工。切削熱90%以上被切屑帶走，通過切削工藝條件的改變來實現無切削液化加工，其效率高、成本低，而機床、刀具投入的技術與成本很高。目前，歐、美國家較為流行，德國處于水平。據2001年統計，德國已有8%左右的企業采用了這一技術，預計到2005年德國將有20%以上的企業采用這一技術。

4） 半干式切削法的特點

半干式切削法是用氣體加微量無害油劑代替切削液的降溫、潤滑、排屑的切削方式。常見的有：MQL（微量潤滑）切削、氮氣流切削、超低溫冷卻切削和低溫冷風切削。日本較多應用，在1998年第19屆東京機床展覽會上，日本參展的69臺機床中有43臺具有半干式切削功能。

a. MQL（微量潤滑）切削

一種國外較為流行的半干式切削方法，在常溫壓縮空氣中混入微量的無公害油霧代替大量切削液，對切削點實施冷卻、潤滑和排屑。

b. 氮氣流切削

氮氣發生裝置把空氣中的氧氣、二氧化碳和水排出，提取氮氣，并將這些常溫氮氣噴入切削區，以解金屬材料的氧化過程，并達到降低溫升的目的。

c. 超低溫冷卻切削

在一定壓力作用下，將-180℃的液氮，或是-76℃的CO2液體送入切削點，代替大量油劑的切削方法。但該方法技術難度大、成本高。

d. 低溫冷風切削

將壓縮空氣的溫度降低到零下20℃～30℃，混入微量潤滑劑，對切削點實施冷卻、潤滑和排屑，這種方法與MQL切削不同之處是超低溫風冷，使切削點低溫化。

3 低溫冷風切削法

1） 低溫冷風對刀具壽命的影響

在切削過程中，刀尖切削點的溫升對刀具壽命的影響很大，低溫冷風切削法就是向刀尖的加工部位噴射零下20℃～30℃甚至更低的低溫氣流，并混入微量的植物性潤滑劑（每小時10～20ml），產生低溫氣流降溫、微量油霧潤滑切削和排屑的作用。切削點低溫化，不僅使工件材料局部冷脆，有利于切屑的剪切斷裂和降低切削負荷，同時也防止了刀具自身的擴散磨損、相變磨損和粘結磨損，微量油霧潤滑降低了刀具與工件、刀具與切屑間的摩擦力，使刀具壽命得到延長。低溫冷風切削法尤其適合鈦、鎂、鉬、高硅鋁合金、不銹鋼等難切削材料和薄壁材料的加工。干式、油劑、MQL車削與低溫冷風車削的切削性能的對比情況見圖1。

圖1 切削性能對比

2） 低溫冷風對加工質量的影響

在金屬切削加工過程中，工件溫度的高低對表面加工尺寸的穩定影響很大。試驗證明，低溫冷風切削時，工件和刀具的溫升低、變形小，刀具后端面切削阻力減小。而且，由于切削點的溫度相對平穩，加工表面殘余應力小，工件表面質量容易保證。在成都寧江機床廠zui近進行的試驗中，用金剛石刀具超精加工鋁合金，使用低溫冷風切削技術，工件表面粗糙度高達Ra0.05µm，而在相同切削條件下使用油劑車削，表面粗糙度僅為Ra0.15µm，顯示出低溫冷風噴射切削技術的*性能。

3） 低溫冷風切削的優點

干式、半干式切削被稱為新世紀的切削技術，而低溫冷風切削技術又是我國國情、zui為實用的一種，它有如下優點：

a. 加工效率可成倍提高（低溫冷風車削可以提率, 倍，低溫冷風磨削可以提率3～4倍，低溫冷風內冷鉆削方式可以提率20倍左右）；
b. 幾乎無污染，改善生產條件；
c. 節約切削劑采購費，降低生產成本；
d. 切屑可以直接回收，增加經濟效益；
e. 有利于自動加工、檢測和監控；
f. 工件尺寸受加工溫度影響很小，質量穩定；
g. 刀具壽命成倍延長，降低刀具成本、縮短機床準備時間；
h. 有利于鈦、鎂、鎳鉻合金等難切削材料的加工；
i. 有利于企業ISO14000和ISO160000標準的認證。

4 結語

圖2 冷風切削加工航空零件 圖3 冷風切削加工鋁板

低溫冷風切削技術可使刀具的切削效率更高、切削性能更好，應用前景廣闊。并使企業在清潔加工中，既獲得環保又獲得巨大的經濟效益。目前，低溫冷風切削技術在我國已有應用，應用實例可參見圖2、圖3