1   序言

高強鋼、高溫合金及鈦合金等難加工材料通常具有高強度、抗腐蝕、抗氧化性以及優良的高溫性能等優勢，被廣泛應用于航空航天、核能和兵器等重要領域的關鍵裝備中。然而在滿足高性能使用要求的同時，由于材料的難加工性，會導致刀具磨損嚴重、壽命降低、切削區溫度較高、工件表面加工質量下降以及產生較大的加工殘余應力等一系列問題。對于高端精密裝備與結構部件，表面加工質量和殘余應力更是直接關系到后期的使用壽命及可靠性。

傳統加工通過澆注切削液對刀具和工件表面進行冷卻、潤滑和清洗，用來減小切削力和刀具磨損并改善表面質量。但是切削液含有礦物油和各類化學添加劑，大量使用會導致環境污染，危害操作人員身體健康，同時造成資源浪費且提高了生產成本。許多國家已制定相關環保標準，明確了切削液限值，我國也陸續出臺了一系列環保和職業保護標準來限制切削液用量。隨著先進制造技術的發展和環境、安全及健康保護意識的加強，綠色制造成為制造業未來發展的必然趨勢。近些年發展起來的干式切削、低溫切削、微量潤滑（Minimal Quantity Lubrication，MQL）切削以及低溫微量潤滑切削等綠色高效加工技術，有望替代傳統的澆注式加工方式。

2    綠色切削技術

2.1 不含切削液的切削

干式切削不使用切削液，因此機床結構簡單，環保、成本低。通過提高切削速度可以改善表面粗糙度，并且對殘余應力和加工硬化程度有一定的改善。但是由于缺少冷卻和潤滑，切削溫度較高，切削力較大，排屑不暢，不易保證表面加工質量，并且存在較大的殘余應力。

低溫切削技術是在加工過程中加入冷源以降低加工區溫度，局部的深冷可使工件材料冷脆，促進切屑的分離，進而達到改善加工質量，減少刀具擴散磨損的目的。低溫加工現場如圖1所示。

圖1　低溫加工現場

試驗表明：①使用液氮冷卻切削可顯著降低高溫合金和鈦合金的切削溫度，改善切削變形區的應力分布。②使用低溫壓縮空氣作為冷源能顯著提高刀具壽命，并且隨著切削速度的提高，刀具壽命顯著提高。使用高壓低溫空氣射流，通過強化冷卻和減小刀屑接觸長度，可降低切削溫度，抑制干切削時切削刃的塑性變形。③使用低溫CO₂作為冷卻潤滑劑在不銹鋼切削、銑削加工中也有較大應用潛力。液態CO₂在噴射到加工區時產生CO₂氣體和微米級干冰顆粒，除實現低溫冷卻外，CO₂本身也具有一定的潤滑性能，相比液氮冷卻可降低切削力，減少刀具磨損，此外還具有一定的經濟效益和環境優勢。

低溫切削可以有效降低切削溫度，但是由于缺少潤滑條件，因此在加工性能提升方面具有一定的局限性。

2.2 微量潤滑切削

微量潤滑（MQL）技術是將少量的切削液與壓縮氣體混合后，通過噴嘴霧化成微米級液滴油霧，噴射到加工區，實現刀具和加工面的潤滑。近些年來，國內外學者在MQL技術的潤滑機理、刀具磨損及壽命、MQL工藝參數優化以及各類難加工材料加工性能等方面進行了大量研究。大多數試驗研究表明，MQL技術具有切削液用量少、減少刀具-切削面摩擦、降低切削力和延緩刀具磨損等優勢。然而在一些工況下，MQL技術存在冷卻性能不佳、切削溫度較高甚至潤滑油膜破裂和潤滑失效等問題。如果能將低溫切削和MQL技術的優勢相結合，既保證足夠的冷卻性能，又能有效利用潤滑劑的潤滑特性，那么將大幅改善難加工材料的加工狀態。低溫微量潤滑技術就是這兩種綠色加工技術的結合。低溫冷源的介入，一方面用于降低切削溫度；另一方面用于防止潤滑劑因高溫失效。常用的冷源有低溫冷風、低溫液氮、液態/超臨界CO₂。

國內在低溫冷風微量潤滑技術方面的研究較多，與傳統切削相比，該技術能有效降低切削溫度，減少刀具磨損，改善加工硬化現象。但是該技術冷卻能力有限，有時難以滿足難加工材料高效切削的要求；液氮低溫微量潤滑技術在冷卻方面效果最佳，但過低的溫度容易引起材料的低溫脆性和硬化，導致加工表面惡化、潤滑劑失效，并且在減小刀具磨損方面與傳統澆注式切削相比存在一定的差距。此外，液氮冷卻工藝需要集成較為復雜的液氮射流系統和工藝裝備，液氮儲存和運輸成本也相對較高，國內相關的研究一直未能深入。

3.   超臨界二氧化碳微量潤滑技術

超臨界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide，scCO₂）是目前公認的環境友好的“綠色溶劑”，其臨界條件溫和（臨界溫度T_c=31.1℃，臨界壓力p_c=7.4MPa），不僅無毒、廉價、不易燃、無污染、容易回收循環利用，還具有超臨界流體的特性，如密度和溶劑化能力與液體相似，而黏度、擴散系數接近氣體，并且性質可通過溫度和壓力調節。scCO₂既能作為溶劑溶解潤滑油，又可作為冷卻介質形成CO₂/干冰顆粒/潤滑油微液滴的三相射流，輸送到切割、成形區域的深處，實現冷卻潤滑增效。另外，超臨界二氧化碳微量潤滑（scCO₂-MQL）技術不需要設置單獨的潤滑油霧化裝置，結構簡單，還可以單純的CO₂/干冰形式進行低溫切削。scCO₂-MQL技術的工藝流程如圖2所示。

圖2　scCO2-MQL技術的工藝流程

1—計量泵　2—切削液儲罐　3—噴嘴　4—單向閥　5—柱塞泵　6—冷卻器　7—調節閥　

8—CO2氣瓶　9—管路　10—溫度傳感器　11—壓力傳感器

與澆注式切削相比，采用scCO₂-MQL切削的刀具磨損量小，在同樣的刀具壽命條件下，使用scCO₂-MQL切削能提高金屬去除率，并且刀具的磨損由快速溝槽磨損轉變為緩慢的月牙洼磨損；與干式加工相比，使用scCO₂-MQL加工可減少材料毛刺的形成；與MQL加工技術相比，scCO₂作為切削液載體，降低了切削溫度、切削力、切屑厚度、刀-屑接觸長度和比能量，具有更高的加工效率。另外，scCO₂-MQL還可以加工傳統MQL方法難以加工的硬質合金，是MQL技術的重要拓展；將scCO₂和油膜附水滴（Oils on Water，OoW）技術結合，可以利用快速膨脹的scCO₂噴霧，將干冰和OoW液滴的混合物輸送到切削區，對加工過程進行冷卻和潤滑。與單純scCO₂、單純OoW冷卻潤滑相比，scCO₂-OoW方法降低了切削力，保持了更平穩的切削過程，加工表面質量顯著提高。因此，scCO₂-MQL在減少刀具磨損、提高加工效率和改善金屬微加工性能方面有著廣泛的應用前景。

4.   結束語

將低溫冷源與微量潤滑技術結合可實現加工區的冷卻潤滑增效，能顯著改善難加工材料加工性能。該技術由于減少了切削液用量且顯著提升了切削性能，是一類新興的綠色切削技術，所以近些年受到學術與工業界的普遍關注。一些學者將scCO₂作為冷源應用于低溫微量潤滑切削中，展示出了其優越的潤滑冷卻效果，使微量潤滑技術在高材料去除率下的加工成為可能，同時也是“綠色溶劑”與“綠色制造”“可持續加工”深度融合的重要創新，能在改善難加工材料加工性能、提升制造質量和提高生產效率的同時，實現環境污染最小化。此外，scCO₂無毒、廉價，還具有超臨界流體低黏度、溶劑能力強以及性質可調的特性，具有較大的開發潛力。scCO₂與MQL技術的融合具有學科交叉屬性，化工、熱力學和機械學科交叉滲透部分較多，已有的研究主要集中在機械加工方面，以及與其他冷卻潤滑方式之間的比較，scCO₂對切削液的溶解特性、熱力學行為以及工藝調控方面的基礎研究并未得到較大關注，還有待深入探討。

本文發表于《金屬加工（冷加工）》2021年第7期6~8頁，作者： 河北工業職業技術大學 梁向東，胡孟謙，解景浦，萬曉航，原標題：《難加工材料綠色切削技術與CO₂增效工藝》。

?來源：金屬加工

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