1 引言
在切削過程中，三個變形區(qū)的金屬產(chǎn)生彈性變形、塑性變形及摩擦變形，切削功率的99.5%均轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟谢谱冃危?變形區(qū)）、前刀面摩擦變形（第二變形區(qū)）及擠壓、過剩變形、后刀面摩擦變形（第三變形區(qū)）所耗能量，并在一瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，出現(xiàn)切屑、刀具切削刃區(qū)域及工件表面溫升的現(xiàn)象。
切削熱是伴隨金屬切削過程中必然的一種物理現(xiàn)象，對工件質(zhì)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(zhuǎn)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(fā)刀具表面的粘結(jié)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(diào)必須及時、有效地控制切削熱在工件、刀具內(nèi)的傳導。控制刀具、工件溫升對數(shù)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(shù)、溫差、接觸時間的長短等因素有密切關(guān)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(zhì)的流速、流量即為增大傳熱系數(shù)；降低冷卻介質(zhì)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(zhuǎn)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(jù)金屬材料的特性、機加技術(shù)指標，合理選擇刀具、切削工藝參數(shù)以外，zui直接的措施是利用各種冷卻介質(zhì)，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(fā)展
1）當代金屬切削加工業(yè)的重大課題
在金屬切削加工技術(shù)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(shù)控化的普及、刀具制造技術(shù)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(chǎn)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(zhuǎn)（8000～60000r/min）會在刀具周圍產(chǎn)生離心高速、高壓氣流，依靠常規(guī)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(yè)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(huán)境與水源。此外，切削液相關(guān)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(fā)達國家的專家們圍繞金屬切削加工過程對環(huán)境的影響問題，進行了認真的研討，各國政府都拔?？钯Y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(huán)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(huán)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(fā)不使用（或少使用）切削液的加工技術(shù)就成為發(fā)達國家金屬切削加工業(yè)所面臨的重大課題；科技界努力創(chuàng)造、研究既能改善加工環(huán)境、節(jié)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(xiàn)代干式切削技術(shù)，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(zhuǎn)（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(xiàn)無切削液化加工，其效率高、成本低，而機床、刀具投入的技術(shù)與成本很高。目前，歐、美國家較為流行，德國處于水平。據(jù)2001年統(tǒng)計，德國已有8%左右的企業(yè)采用了這一技術(shù)，預計到2005年德國將有20%以上的企業(yè)采用這一技術(shù)。
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(fā)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(qū)，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(shù)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(chǎn)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(jié)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(zhì)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(wěn)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(wěn)，加工表面殘余應力小，工件表面質(zhì)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(shù)，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(shù)的優(yōu)越性能。
3） 低溫冷風切削的優(yōu)點
干式、半干式切削被稱為新世紀的切削技術(shù)，而低溫冷風切削技術(shù)又是我國國情、zui為實用的一種，它有如下優(yōu)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(nèi)冷鉆削方式可以提率20倍左右）；
b. 幾乎無污染，改善生產(chǎn)條件；
c. 節(jié)約切削劑采購費，降低生產(chǎn)成本；
d. 切屑可以直接回收，增加經(jīng)濟效益；
e. 有利于自動加工、檢測和監(jiān)控；
f. 工件尺寸受加工溫度影響很小，質(zhì)量穩(wěn)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(yè)iso14000和iso160000標準的認證。
4 結(jié)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(shù)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(yè)在清潔加工中，既獲得環(huán)保又獲得巨大的經(jīng)濟效益。目前，低溫冷風切削技術(shù)在我國已有應用，應用實例可參見圖2、圖3