绿色制造技术 课件 第4-6章 绿色成形加工技术-ISO14001环境管理体系标准及环境法律法规介绍

绿色设计与制造技术第4章绿色成形加工技术

4.1绿色铸造4.2绿色锻压

4.3绿色钎焊

4.1绿色铸造

国内金属件开发仍然广泛沿用传统的木模铸造技术，存在零件/模具开发周期长、生产环境恶劣、污染重、成本高、精度损失严重等问题，不能适应当前铸型的生产要求。如何在短时间内低成本地制造出精度高、合理的铸型则成为单件、小批量金属件开发的关键和热点技术之一。21世纪的制造业市场竞争日益激烈，零部件更新换代的速度不断加快，短周期、小批量的新产品开发成为必然趋势。另一方面，为建设资源节约型、环境友好型社会，要求铸造过程降低能源消耗、减少污染、提高铸件质量。

2016年第三届中德绿色铸造高峰论坛在青岛盛大开幕，来自中德两国的铸造行业专家、企业家、高管等200余人汇聚于此，以“先进技术、装备与标准助力绿色铸造发展”为主题，就在绿色铸造十三五发展的大背景下，如何实现铸造工厂的绿色转型升级进行深度论述。

2018年7月9日，中国绿色智能铸造暨第四届国际绿色铸造高峰论坛在宁夏银川隆重举行，本届大会以“绿色发展智造未来”为主题，旨在全面落实《中国制造2025》要求，帮助企业解决数字化、网络化、智能化关键问题，提质降本增效，环保安全达标，实现绿色智能转型。2020年8月19日，由中国铸造协会和中国智能铸造产业联盟主办的《中国铸造行业智能制造发展白皮书2020》和《中国绿色智能铸造发展路线图暨关键共性技术研发项目指南（2020）》发布仪式在北京中国铸造节上召开。遴选出了18项在铸钢、铸铁、铸管、铝合金等技术领域的智能制造应用示范项目；21家在智能制造整体解决方案、智能设备、工业自动化集成、工业软件与信息化系统、工业云平台等方面具备优质服务能力的服务商，全方位呈现铸造行业智能制造应用实践和成效，为智能制造转型提供示范和标杆，加速产业发展。目前，国内外在金属件铸造领域，普遍采用的是以离散堆积成形为特征的快速成形技术和以去除加工为特征的数控铣削技术两大铸型(芯)制造方法。1.离散堆积成形为特征的快速成形技术2.以去除加工为特征的数控铣削技术4.1.1无模化铸型数字化加工技术及设备1.基于离散堆积原理的型芯制造技术，近年来取得一定进展。通过以铸造用的陶瓷粉末或环保型砂为原料，以CAD模型驱动快速成形机，直接制成铸型或铸芯。

由于数控技术的快速发展，基于去除原理的快速加工制造技术在机械工业中得到快速应用。机械科学研究总院先进制造技术研究中心开展了铸型数字化加工技术及设备研发工作，已开发出系列可商品化的铸型数字化加工机，申请专利47项(其中国际发明专利20项），授权专利15项(其中授权发明专利9项），获软件著作权6项。在研究过程中，开展了系列化、数字化无模铸造精密成形机、长寿命专用刀具、干式风冷及排砂一体化系统、开放式专用数控系统研发，以及基于无模铸造精密成形的优化加工和工艺技术研究，实现树脂砂、水玻璃砂、覆膜砂、聚苯乙烯等材料的加工成形，并研制出数控加工成形机，在中国一汽集团等企业中进行应用推广。2.以去除加工为特征的数控铣削技术

三维CAD模型直接驱动数控设备加工铸型，是一种全新的复杂金属件快速制造装备和系统，能够实现复杂金属件制造的柔性化、数字化、精密化、绿色化，是铸造技术的革命。不需要木模(金属模)等模具多工序翻制砂型，可以节省大量木材、金属等材料；型芯柔性化制造和灵活多样的组合，为零部件的设计和制造提供了充分的自由度；型芯直接加工制造，取消了拔模斜度，不需要工艺补正量，提高成形精度，减少加工余量，铸型精度不因尺寸增大而降低，实现了铸件生产的数字化、精密化、柔性化、自动化、绿色化。2.铸型数控加工关键技术

（1）

砂型数控切削加工机理

型(芯)砂可被看成是一个分散体系，不同于一般工程材料，因其混合过程中液体分散介质(通常为粘结剂)占的份额特别少，作为固体分散相的砂粒特别多，也称为骨干式或骨胳式体系。其微观形貌如左图所示。在原砂与粘结剂混合搅拌后，砂粒表面就包覆了一层薄薄的粘结剂膜即粘结膜，厚度为0.002-0.01mm，厚度的变化决定于粘结剂的加入量和砂粒的比表面积。型砂紧实后的粘结模型如右图所示。相邻的砂粒通过粘结膜连接起来，粘结膜的连接点即为粘结桥，型砂的强度决定于粘结膜及粘结桥的强度。在这个体系中，粘结剂主要起粘结砂粒的作用，并决定着砂型力学行为的许多特征。一般数控加工的对象是基体为连续均匀介质的金属，工件切削层材料受到刀具前刀面的挤压作用后，产生弹性变形、塑性变形和剪切滑移，使切削层金属与母体材料分离变为切屑。砂型是由型砂经粘结剂和固化剂发生化学反应粘结而成，本质上是一个由微小型砂互相粘连形成的离散体。所以当切削刀具不断地挤压被切削的砂层时，被切削层的受力分离很难用弹塑性变形来解释，如下图所示，主要是刀具与离散的型砂相互间的碰撞作用，使型砂获得足够的动能，克服粘结作用与周围型砂分离。砂型上的砂粒从静止状态到被切削飞出，所产生的抗切削强度主要是由于砂型颗粒间接触点的粘结桥形成的内聚力。（2）无模化制造专用砂型（芯）造型材料开发

传统的树脂自硬砂、覆膜砂、水玻璃砂等铸造常用型砂配方在加工复杂、薄壁等铸型时容易出现塌型、强度不足等现象。目前应用得比较多的是超细球形宝珠砂，并以磷酸二氢铝溶液为无机粘结剂。新型环保砂铸型界面表层型砂自身发生烧结，并生成致密的烧结壳，有利于防止金属液渗入到铸型孔隙中，此外，烧结壳易剥离，落砂容易，清砂工作简单，使得铸件表面细腻光洁、不易产生粘砂等铸造缺陷。新型环保砂是一种绿色铸造的新型造型材料，满足现代铸造生产对环境保护的需求，具备广阔的应用范围。

（3）

基于镶片金刚石材料的砂型数控加工专用刀具砂型加工不同于金属加工，砂型作为非均质离散体，砂粒通过粘结剂粘接而成，加工过程极易发生薄壁砂型坍塌及砂粒剥离引起表面粗糙问题。因直接切削砂型，高速旋转刀具直接与砂粒产生碰撞，刀具磨损严重，甚至发生崩刃现象，传统刀具无法使用。复杂铸型大都是深腔结构，强度有限，尤其是薄壁砂型，刀具设计及砂型配方不合理则无法加工，为此需要开发大长径比、高速、长寿命、高耐磨加工的刀具，因此研制合适的刀具是实现铸型(芯)数字化加工的关键技术之一。

高速钢刀具的前、后刀面磨损严重，不适合铸型切削。涂层刀具中，较薄的TiN涂层抵御SiO2

硬质点对后刀面“微切削”的能力不足，故也不适合砂型切削。硬质合金刀具的硬度明显高于高速钢，但实验发现，刀具失效后刀尖圆弧部分存在刀具材料剥落现象，磨损较严重，故硬质合金刀具切削砂型的能力也较弱。在铸型切削过程中，刀具材料、转速、进给速度、切削深度、砂块固化时间、型砂粒度等参数对刀具磨损均产生一定的影响。其中，型砂粒度、切削深度对刀具磨损的影响较为显著。

在人们大量研究基础上，设计了铸型数字化加工专用的加工刀具。通过不同材料刀具切削砂型对比实验和大长径比刀具模态分析，开发出系列化的高耐磨、大长径比专用刀具

。为适应复杂铸型深腔加工，刀颈长度延长至80-200mm；同时为了换刀方便，刀柄直径统一。与普通铣刀对比，专用刀具具有耐磨性好，加工深度深，换刀方便等优点。（4）

铸型加工过程刀具冷却及排砂一体化工艺在铸型加工过程中产生了大量废砂，为了避免废砂影响后续的加工需要及时排除。由于铸型加工必须采用干式切削，因不能用冷却液对刀具进行冷却，加工砂型时容易产生大量摩擦切削热，导致刀具失效及破坏，为此废砂排除以及刀具冷却是铸型(芯)加工的关键工艺技术之一。刀具冷却与废砂排除一体化系统，通过节气喷嘴的高速气流将刀头附件的废砂带走，可解决铸型高速加工中刀具摩擦、磨损、冲击崩刃等问题，实现了气动排砂和刀具冷却一体化。采用分布在刀具两侧的节气喷嘴，使高压气流交叉覆盖刀头，并随切削刀具一起运动实现随动排砂，同时对刀具提供了强风冷却，解决滞留砂屑影响加工精度和刀具寿命的问题。

实验中采用吹气和吸气的方式产生气流带动砂粒飞出已经加工的表面，如下图所示。采用负压吸尘的方式排砂，即使吸尘器的功率很大，由于抽气口附近进气空间很大，所以流过砂粒的气流速度并不高，不足以达到临界速度。只能将喷嘴附近5mm范围内的砂粒吸走，而且不能对加工刀具进行有效冷却；而采用吹气方式，喷嘴小，气流量集中，与砂粒距离在150mm以上就能将砂粒吹开，同时对刀具提供了强风冷却。

采用吹气排砂，喷嘴在距离加工表面(砂槽底部)150mm以上，砂槽底部流场速度基本都超过了临界速度，随着气流移动，废砂能够有效排出砂槽之外。同时对刀具提供了强风冷却，刀具升温在10℃以内。（5）

铸型切削加工工艺优化

加工路径优化主要在满足铸型加工精度的要求下，从加工路径规划、短线合并和引入样条插值运动模式等三个层次来对加工路径进行优化。像发动机、缸盖、排气管等这一类砂型结构比较复杂，生成加工路径长度很大一部分都在几毫米到十几毫米之间，采用普通数控系统常用的直线或圆弧插补命令，在这个距离内，一般还处于加减速阶段，设备运行远没有达到设定的速度。针对几毫米到十几毫米线段，为了提高运行速度，采用了三次样条插值运动控制方式来替代简单的直线、圆弧命令。将在长度小于特征值S的路径以dS为间距离散成一系列的点，点与点之间的路径通过三次样条插值逼近，而通过设定走过点与点之间距离所需时间，来精细控制切削速度和切削时间。采用优化算法明显缩短加工时间，可以显著提高加工效率。

（6）

铸型数控加工成形机根据金属件无模化制造技术的工艺特点以及成形要求，开发铸型数控加工成形机。采用封闭式加工空间，产生的废砂、粉尘都可以回收，能够实现在苛刻条件下运行的稳定性和可靠牲；运动系统采用高架动梁龙门结构，双x轴通过控制精确同步；所有运动单元均置于加工砂坯上方，有效防止了粉尘污染；采用刀具进行xyz三维运动，使设备功率由通常的几十千瓦减少至十几千瓦；采用“NC+PC”的控制模式，形成一个高度开放的控制系统，满足铸型数控加工工艺的特殊要求；通过模块化设计来提高设备运行的稳定性和可靠性。

目前自行研制的铸型数控加工成形机之一----SMM1500如图所示，该设备由三维CAD模型驱动，加工速度最高可达150mm/s，主轴转速4000-20000r/min，加工精度为±0.1mm，其单块最大可加工砂型尺寸尺寸1500mmx1000mmx400mm。3.铸型无模化加工技术及装备应用示范

无模化金属件制造技术与装备在中国一汽集团、中国一拖集团、广西玉柴集团、广西柳工集团等多个企业成功应用到轮毂、齿轮壳体、进排气管、缸盖、缸体等复杂铸件的快速开发。

中国第一汽车集团公司采用CAMTC-SMM数字化无模铸造精密成形机及应用技术，完成了多种汽车零部件的快速开发。图为前轮毂体开发过程。齿轮外壳铸件轮廓尺寸560mmx370mmx185mm，从CAD模型到铸件5d内全部完成，传统工艺需要模具，耗时30d以上。图为广西玉柴集团采用铸型数字化加工设备加工的大型柴油机TC100，功率500KW，机体重约60Kg，结构复杂，壁壁厚差异大，从5mm到80mm，轮廓尺寸1270mmx830mmx300mm，要求组织致密、耐磨、耐高压，一次开发成功，开发周期由90d缩短至30d，节约模具费用120万元。砂型加工仅用70h，减少模具材料(约48t)，减少模具加工时间(约4000h)，节约模具加工用电4万瓦。4.1.2铸铁件在线孕育及喂丝球化工艺研究喂丝球化工艺过程是通过喂丝机将包有合金元素的包芯线不断插入球化处理包，由于高温铁液的作用，芯皮被熔化，芯料（球化剂）与铁液接触，发生球化反应的过程。虽然冲入法与喂丝处理成本相当，但是喂丝球化处理工艺稳定，球化率高于冲入法；喂丝球化工艺操作简单，减轻了工人劳动强度，易实现自动化；喂丝球化在反应室中进行，改善了生产环境，减少了污染。4.2绿色锻压1.超高强度钢热冲压技术背景及概况

能源危机和环境问题的加剧，使节能、环保、安全成为汽车制造业发展的主要方向。汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法，超高强度钢具有减轻车体重量和提高安全性的双重优势，成为汽车制造的新模式。

汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%-8%，排放降低5%-6%，而燃油消耗每减少1L，C02

排放量减少2.45Kg。超高强度钢板可以通过减小壁厚或截面尺寸减轻车重，其强度高达1500MPa以上，是铝合金的5倍，而密度只有铝合金的3倍，强度和轻量化优势更为突出。同时成本比铝质车身减少30%，性价比出众，在合资车型中已大量应用，国内市场需求极为紧迫，下图是车身中可用超高强钢结构件的示意图，底盘件未来应用潜力更大，减重效果更为显著。4.2.1高强度钢板绿色冲压近几年来，强度在980MPa以上的超高强度钢板在汽车上的用量日益增多。西欧超高强度钢板的消费与日俱增，几种主要车型所用高强度钢板的比例已上升到40%以上，这一比例在日本也达到了36%左右。被誉为美国第一辆五星级碰撞防护的福特风之星多用途汽车，其总计165个车身零件有近100个是用超高强度钢板制造的，比例超过60%。下图所示为超高强度钢车身结构件下的5星碰撞实验。2.超高强度钢热冲压技术原理及特点汽车轻量化用超高强度钢22MnB5，其化学成分及退火状态下力学牲能见下表，常温下强度为500-600MPa，因含有约千分之五的硼元素，增加了板材的淬透性，容易实现相变强化。超高强度钢热冲压原理如图所示，加热到奥氏体化后，迅速送入带有冷却系统的模具内冲压成形，冷却速度控制在25℃／S以上，在模具内完成成形与淬火一体体化过程，实现完全马氏体转变，发生相变强化，强度提高2-3倍，得到强度高达1500-2000MPa的车身冲压件，有效减重并提升安全性能。

这种新的制造工艺将成形和热处理在同一工序同一模具内同时进行，可以一次成形冷冲压几道工序才能完成的复杂零件，提高了生产效率。其主要技术优势有：1）可成形抗拉强度高达1500MPa的零件，组焊成高强度驾乘单元，承受6t以上的静压不损坏。2）

高温下成形能消除回弹影响，零件精度高，成形质量好。3）

通过减小壁厚或截面尺寸减轻重量（达18%-35%），实现轻量化。4）

高温下，材料塑性和成形性好。能成形冷冲压无法成形的复杂冲压件；可将多个冷冲压件合成一个一次成形；可一次成形冷冲压中需要多套模具、多道工序成形的冲压件，减少模具数量和成形工序。5）

热成形需要的设备吨位（800t）比冷冲压（2500t以上）需要的设备吨位小，投资少，能耗小。3.超高强度钢热冲压核心技术

（1）材料性能及相变强化机理研究

超高强度钢板22MnB5退火态原始组织为铁素体、珠光体及少量碳化物，如图所示，加热到950℃冷却速率在25℃/s以上时，得到理想的马氏体组织，成形件力学性能良好。22MnB5钢中存在微量硼，导致固溶强化并且硼在晶界的偏聚延长奥氏体转变的孕育期，进一步增加淬透性，获得了更高的抗拉强度。（2）

热冲压成形相变工艺参数设计及优化1）

分析确保奥氏体转变成马氏体的临界冷却速率、冷却保压时间、零件出模温度等冷却工艺参数及其影响因素；实验研究实现钢板均匀奥氏体化的加热参数，探讨实现钢板充分奥氏体化并不出现晶粒粗化等现象的合理的加热速率、奥氏体化初始温度、保温时间等。

2）

研究热成形初始成形温度、冲压成形速率、成形力等冲压工艺参数，分析钢板在成形过程中的温度变化和收缩变形规律，为成形工艺参数制定及凸、凹模尺寸补偿提供依据。

3）

研究模具凸、凹模内部冷却管道系统的研发设计（包括冷却管道的几何形状、尺寸以及管道在模具内的位置及管道间相对位置分布）对管道冷却效率和冷却均匀性的影响，得到确保零件各处均匀冷却淬火的设计依据，进一步优化成形工艺。

4）

分析研究超高强度钢热成形不同奥氏体化温度下和不同冷却条件下的力学行为，探求材料的力学特性及微观组织演变规律，优化工艺参数。

（3）

热冲压成形模具设计与开发掌握总体结构布局设计、凸凹模配合尺寸优化设计、外部冷却管道及内部冷却管道系统设计计算、冷却介质的密封技术等成套技术，形成此类模具的自主设计能力。同时在模具冷却装置设计，包括冷却装置热交换原理、结构、冷却介质温度控制方法、临界冷却速率实现等方面实现成熟优化开发与应用，达到批量生产过程的成形工艺参数优化，确保批量生产产品质量的稳定性。

通过同步设计、成形性分析、加热与冷却模拟等方法对模具结构及冷却通道进行优化设计，机械科学研究总院先进制造技术研究中心已成功自主开发出北汽福田某车型防撞梁、保险杠等成形与淬火一体化热冲压模具，一汽某新能源车型电动机支架模具，如图所示。4.2.2绿色锻造虽然我国锻件产量已进入世界生产大国，但在设备构成、等级、技术水平和锻件品种、精度、工艺水平等方面，与国外相比还有很大差距，尚需改进提高。因此重视锻压行业的标准体系和规范的研究与开发，成为推动我国锻压行业技术工艺水平进步的重要手段。高效、节能、环保是绿色锻造的最具体的体现，如何利用好世界制造业这一轮战略性转移的大好机遇，合理利用有限资源，大力发展绿色锻造，实现我国锻造业的跨越式健康发展，是我国经济发展战略中应着重研究解决的一个重大问题。1、节约能源节能是绿色锻造的重要标志之一。新型液气传动电液锤传动效率可达48%，而传统蒸空锤锻能量利用率仅为2%～5%，能量利用率提高了几十倍，节能效果十分显著。液压传动击锤打击效率可达95%，而传统有砧锻锤的打击效率一般为85%。绿色锻造还体现在打击能量的有效控制，多余能量的打击也是能源的浪费。在技术允许的情况下，绿色锻造应该拥有极高的资源利用率，最大程度上的节约能源。

锻造工艺过程中最重要的部分就是锻锤，从某种意义上来讲，锻锤的好坏决定了最后锻造工件的加工质量。因而，绿色锻造应该具有新型的锻锤，满足绿色制造的要求。2、节约材料绿色锻造的锻件成型可通过预锻得到最合理的材料分配，避免了形成很大飞边并造成型槽深处金属不容易充满的缺陷，从而导致材料的浪费。采用绿色锻造需要减少锻件飞边、提高锻件成品率达到提高材料利用率和节约材料的目的。3、节省人力新型的数控锻造设备可以在一台设备上完成制坯、预锻、终锻多道工序，减少了工件的来回搬运，可大量节省用工。一般来说，锻造的生产线需要操作人员3-8人不等，但是配有机器人的情况下可以实现无人化生产。4、符合环保绿色锻造的生产过程中无“三废”排放，同时实现打击能量的自动控制，避免由于富余的打击能量带来的噪音问题，也可以装有隔振器，避免打击带来的振动问题，尽量改善工作环境。现代化绿色锻造设备需要真正意义上符合环保的各项要求。5、提高效率灵活、快速是新型的绿色锻造的工艺特征，需要实现短行程高速锻造和高频率的连续锻造，在技术支持的情况下，加快打击速度和增加打击频次，这就为锻件的高效率快速成形创造了先决条件。最终才能实现高效率的锻造。6、稳定质量如果锻锤是由人操作，不管多么熟练的工人，也难保持100%的一致，特别换班操作，对同一种锻件更难以得到一致的打击能量和打击次数。新型的绿色锻造的锻锤可以采用电子程序控制，不论谁踩踏板，锻打操作是一致的。对某一特殊零件的工艺如已经编入程序，即可以数码储存起来。以后再锻造同一零件时，只须调出该零件的编码，锻锤即可以进行生产。打击能量的精确控制、程序打击的实现可避免由于操作者技术水平的差异造成产品质量的不稳定。这样可以有效的保证了锻造设备的锻件具有较好和稳定的质量。4.3绿色钎焊1.无铅钎焊技术电子产品实施无铅化制造面临的主要问题是钎料、元器件和PCB(印制电路板)的无铅化，以及适用于电子产品无铅制造的生产设备。其中，钎料的无铅化是首先要解决的基本问题。与传统的使用Sn-Pb钎料（锡63%和铅37%）相比，无铅钎料不仅锡含量达90﹪(质量分数)以上，而且由于Ag（银）、Cu等亲氧元素的添加，使得影响钎焊工艺的钎料熔点、润湿性能、抗氧化性能等关键因素发生了显著的变化。通常，无铅钎料的熔点为220℃左右，比传统的63Sn-37Pb钎料的熔点高约40℃，造成电子产品的实际钎焊过程需要更高的温度，这就对钎焊设备、电子元器件和印制电路板的耐热性能提出了更高的要求。由于无铅钎料熔点和润湿性能（无铅钎料润湿性能相对较差）的变化，规模化生产中广泛使用的无铅钎焊参数必然随之改变，以适应无铅化制造的要求。

美国环境保护署(EPA)将铅及其化合物定性为17种严重危害人类寿命与自然环境的化学物质之一，铅油通过渗入地下水系统而进入动物或人类的食物链；在日常工作中，人体可通过皮肤吸收、呼吸、进食等吸收铅或其化合物，当这些物质在人体内达到一定量时，会影响体内蛋白质的正常合成，破坏中枢神经，造成神经和再生系统紊乱、呆滞、贫血、智力下降、高血压等症状；铅中毒属重金属中毒，在人体内它还有不可排泄、并且会逐渐积累的问题。美国职业安全与健康管理署(OSHA)标准：成人血液中铅含量应低于50mg/dl（分升），儿童血液中铅含量应低于30mg/dl。中国已加入WTO，中国市场已经逐步与国际市场接轨；为了提高自身产品的适应能力，及出口时避免上述不必要的麻烦，国内厂商应加强产品无铅化的意识，尽快地适应国际市场的要求，不要走在别人的后面，否则产品将失去一定的竞争力，在日趋激烈的国际竞争中处于下风。（1）Sn-Pb系钎料抗氧化技术

早在锡铅波峰钎焊时期，人们已经注意到液态钎料的高温氧化问题，在波峰表面不断产生氧化渣，其化学成分中含有大量的Sn元素，在电子产品生产中造成了Sn的大量消耗，生产工序也变得复杂。目前，钎料抗氧化技术主要是向钎料中添加微量合金化元素，这些元素在液态钎料中能够优先与氧发生氧化反应，其生成的氧化物具有趋表现象，在液态钎料表面形成致密的氧化膜，阻止氧与液态钎料的进一步接触，从而提高抗氧化能力。

金属热力学原理指出，金属氧化物的标准生成自由能反映了金属氧化的难易程度，氧化物的标准生成自由能的负值越小，表示该金属越容易被氧化。从表的金属氧化物的标准生成自由能可以看出，In（铟）、P（磷）、Sb（锑）、Ga（镓）等元素的氧化物标准生成自由能都低于锡基钎料表面氧化物SnO2和SnO，理论上这些元素都可以作为抗氧化元素加入钎料中。

哈尔滨工业大学邓志容等系统研究了Ge、Ga、Sb、In、P等五种元素对Sn-0.7Cu无铅钎料抗氧化性能的影响。模拟钎料在260℃条件下的波峰钎焊试验结果表明，Ge、Ga、Sb、In、P等五种元素均可不同程度地提高Sn-0.7Cu钎料的抗氧化性能，各种元素分别在最佳含量范围时达到稳定的抗氧化能力，其中Ge的最佳含量为O.01%(质量分数)、Ga的最佳含量为O.005%（质量分数）、Sb的最佳含量为O.9%(质量分数)、In的最佳含量为0.07%（质量分数）、P的最佳含量为0.008%（质量分数)。2.氮气保护无铅再流钎焊技术（220-240°C）

随着电子产品的小型化和多功能化，再流钎焊技术获得了广泛的应用。传统Sn-Pb系钎料的熔点仅为183℃，而再流钎焊中使用的Sn-Ag或Sn-Ag-Cu系无铅钎料的熔点达到221℃，由于电子元器件的耐热性能的限制，再流钎焊时的钎焊温度一般低于245℃。同时，由于无铅钎料的润湿性一般都低于Sn-Pb钎料，由于工艺参数的限制，通过提高钎焊温度来增加润湿性的方法已很难实现。在目前的情况下，采用氮气保护条件下的无铅再流钎焊技术是切实可行的办法。

再流焊也叫回流焊，是伴随微型化电子产品的出现而发展起来的焊接技术，主要应用于各类表面组装元器件的焊接。这种焊接技术的焊料是焊锡膏。预先在电路板的焊盘上涂上适量和适当形式的焊锡膏，再把SMT元器件贴放到相应的位置；焊锡膏具有一定粘性，使元器件固定；然后让贴装好元器件的电路板进入再流焊设备。传送系统带动电路板通过设备里各个设定的温度区域，焊锡膏经过干燥、预热、熔化、润湿、冷却，将元器件焊接到印制板上。（1）

氮气保护与钎料润湿牲

在再流钎焊过程中施加氮气保护，主要在于降低钎焊区环境的氧分压，从而降低表面张力，促进润湿，形成饱满焊点。随着钎焊环境中氧浓度的降低，Sn-3.OAg-0.5Cu钎料的最大润湿力获得明显提高，从另一个侧面也反映出，为达到一定的润湿性能，通过降低钎焊区氧浓度可以获得与提高钎焊温度相同的效果，如下图所示。（2）

氮气保护与焊点外观质量

再流钎焊过程中会产生诸如锡珠、桥连等钎焊缺陷，如图所示，这些缺陷的产生不仅与组装材料有关，而且与钎焊参数、钎焊区环境有关。据统计，氮气保护无铅再流钎焊可大幅度降低桥连和元件偏移的发生率，但在氧浓度高于0.05﹪(体积分数)时会促使竖碑缺陷的发生，氮气保护对焊球、锡珠没有明显的影响。由于贴片精度不够或误贴，元器件偏移是一种常见的再流钎焊缺陷，在再流钎焊过程中，如果自我矫正力不够，将以缺陷的形式一直存在。通过改变贴片机工艺参数，使元器件贴装偏移焊盘的50﹪，然后进行再流钎焊。试验发现，氮气保护下元器件偏移的自我矫正能力增强，元件偏移现象减少。

（3）氮气保护与钎剂氧化

标准免清洗焊膏分别经空气和氮气保护再流钎焊后，电阻两端焊点外观表现出明显的差异。空气再流钎焊过程中，由于钎剂氧化，在焊点表面有一层发黄的钎剂残留物覆盖，而氮气气氛中焊点表面光亮，如图

所示。（4）

氮气保护与焊点强度

从图可以看出，氮气保护条件下，钎焊内圆角光滑而且饱满，曲率半径大于空气中焊点内圆角曲率，在拉伸过程中有效承载面积增加，从而提高强度(见表)。

（5）氮气保护对焊点内部组织的影响

从上图可以看出，氮气中钎焊的焊点组织细小，晶粒多呈粒状或柱状。而空气中钎焊的焊点组织粗大，晶粒以大片状为主，辅以散射针状。主要原因在于氮气保护时，再流钎焊炉内再流区与冷却区之间的氮气风刀喷出的低温氮气致使裸露焊点快速冷却，从而使晶粒细密。同时，快速冷却使液态钎料与基体金属的反应时间缩短，化合物层相对薄而均匀，而空气中金属间化合物呈现明显的扇贝型，厚度极不均匀，且平均厚度较厚，如下图所示。

绿色生活，共享未来！Thankyou!绿色设计与制造技术5.1干切削加工的理论研究和实施条件5.2干切削技术的应用5.3干磨削5.4亚干切削加工的理论研究与应用5.6绿色产品的包装、使用和利用

第5章绿色切削加工技术5.5绿色工艺规划

1.干切削术语和定义

干切削（干式切削）：一种加工过程不用或微量使用切削液加工技术。一种对环境污染源头进行控制清洁环保制造工艺。完全干切削：在切削过程中不使用任何切削液的工艺方法。亚干切削：应用不同技术方法，将适量润滑液注入带有一定压力、不同温度的气流中混合雾化，生成微量润滑介质，并喷入切削点，对发热区实施微量润滑冷却的切削技术。亚干式切削通常包括：微量润滑切削、低温微量润滑切削、冷风切削、液氮喷雾、高压水射流等切削工艺。5.1干切削加工的理论研究和实施条件2.干切削加工的理论综述目前，对于干切削理论基础、应用原则的分析主要有以下几种：（1）清洁生产理论干切削在提高生产效率，降低生产成本的同时，一个重要的目标就是清洁生产。因此，无论是完全干切削，还是准干切削，目的都是尽量不用或少用对环境造成污染的切削液，实现清洁生产，绿色制造。

（2）金属切削层的软化理论

干切削时由于采用超硬刀具，刀具的耐热性高，金属在高温下产生了软化效应，致使金属材料的抗剪强度，抗拉强度下降，使切削力下降，刀具寿命提高。

干切削时工件硬度随温度变化

（3）低温脆性

亚干切削时采用低温气体或液氮作用于切削区，在相同切削参数、刀具等工艺条件下，其切削力显著低于其他传统的冷却润滑切削方法。研究表明，低温切削时，金属材料易发生低温脆化。在低温下，金属内部位错热能低，其塑性变形应力应比高温下抗力大，因而能提高材料强度，而低温脆性是由孪生引起的龟裂所产生的，最后总体情况试具体工艺条件而定。

（4）强化换热效应

低温冷风切削时通过对空气实施冷却，扩大低温空气和切削区的温差，使气体有较强的冷却能力；以射流方式让空气以较快的速度通过切削区，使单位时间通过切削区截面的冷气越多，带走的热量越多。这样空气就成为切削区强化换热的良好载体。其次，气体比液体更容易进入刀具/切屑，刀具/工件的接触面，冷气作用更直接，冷却效果更明显。

创造不同保护气体（如氮气）浓度的气氛，将其输入切削区，使切削、磨削表面生成、切屑分离过程处于保护气体气氛中，阻断切屑氧化热、新生表面氧化热的氧源，从而控制切削热的产生、控制切削温度上升，为获得优良的加工质量奠定了基础。

（5）其它冷却切削机理研究

1.干车削加工

根据加工对象的特点，加工过程中采用的辅助措施的不同，可将干车削分为硬车削、低温冷却干车削和激光辅助干车削。5.2干切削技术应用硬车削

硬车削是指用车刀对淬硬钢(50～63HRC)材料进行的切削加工，这种加工通常是作为最终加工或精加工，实现以车代磨。淬硬钢材料通常是指淬火后具有马氏体组织，硬度高、强度也高、塑性很低的工件材料，硬度＞50HRC时，其强度约为2100～2600MPa。

硬车削的刀具材料：普通高速钢和硬质合金不能进行硬车削，涂层硬质合金刀具是在韧性较好的硬质合金刀具上涂覆一层或多层耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al2O3等，涂层的厚度为2～18mm，涂层通常起到以下两方面的作用：一方面，它具有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，减弱了刀具基体的热作用；另一方面，它能够有效地改善切削过程的摩擦和粘附作用，降低切削热的生成。刀片结构及几何参数。各种刀片形状的刀尖强度从高往低依次为：圆形、100°菱形、正方形、80°菱形、三角形、55°菱形、35°菱形。刀片材料选定后，应选用强度尽可能大的刀片形状，同时应选择尽可能大的刀尖圆弧半径。粗加工时通常选用圆形或大圆弧半径的刀片。为改善刀片受力状况，使切削力方向由切削刃向内对着刀体，并对刀片刃口进行钝化处理。硬车削的切削用量：硬车削淬硬钢时，进给量对刀具破损影响最大，所以应选择较小的进给量，较高的切削速度(80～100m/min)可获得酥化易碎的切屑，同时切削温度升高可改变工件材料性能和提高刀具韧度，减少刀具破损。背吃刀量受机床功率和工艺系统刚性限制。硬车削时，若工艺系统的刚性较差应选择较小的背吃刀量，以免引起振动使刀具破损。应用硬车削加工的实例。

(1)美国某公司用热压陶瓷刀片车削淬火钢(＞50HRC)轧辊的外圆、端面、槽和成形表面，粗车切削速度137m/min，精车切削速度198m/min，进给量0.13～0.33mm/r，背吃刀量0.51～0.89mm，切削用量较大，切削效率高。

(2)德国某公司在加工100Cr6材料的摩擦盘(60～62HRC)时，用车削代替磨削，加工时间降低60％。

(3)我国某机车车辆厂，加工硬度为60HRC(其中硬质点硬度近70HRC)的轴承内圈(GCrl5材料)，直径为285mm，采用磨削工艺需2h，采用硬车削加工，用优质硬质合金刀片，切削速度20m/min，进给量0.18mm/r，背吃刀量0.5～1.5mm，仅用了45min。

(4)北美最大的齿轮制造厂用PCBN刀具硬车削粉末冶金(PM)金属齿轮坯件，切削速度200m/min，背吃刀量0.25mm，进给量0.09mm/r，选用SNG-434形刀片，加工表面粗糙度值为0.18，不仅实现了以车代磨，而且大大提高了生产效率。用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具进行硬车削，加工时间、设备成本、切削刀具的成本比磨削加工成本下降40％，从而使每个零件的加工成本下降了55%。

(5)轧辊的硬车削。目前，国内十几家大型轧辊企业已经在冷硬铸铁、淬硬钢等各类轧辊的加工中采用了硬车削技术，对轧辊进行荒车、粗车和精车等，取得了很好的效果。采用硬车削技术后，平均提高加工效率2～6倍，节约加工工时和电力50％～80％。(6)碴浆泵是广泛应用于矿山、电力等行业的配套产品，其护套、护板材料是63～67HRC的Crl5Mo3高硬铸铁件。过去由于刀具材料的限制，这种材料很难进行车削加工，因而不得不采用先退火软化后进行粗加工，然后淬火再进行车削加工的工艺。采用硬车削加工技术以后，顺利地解决了一次硬化加工问题，免除了退火、再淬火两道工序，节约了大量的工时和电力。目前国内碴浆泵生产企业约有70％～80％已经采用了硬车削加工技术。

（7）轴承锥面硬车削加工。轴承内外圈(轴承钢，(C)1％，(Cr)1.5％；热处理后的硬度为62HRC)的壁很薄，而要求达到的精度却很高，为减小装夹变形，采用磁性卡盘夹持。

传统的加工工艺：精磨前3道工序，3次装夹，调整共耗时165min，实际加工工时19min。用硬车削工艺：精车前1道工序，1次装夹，调整共耗时55min，实际加工工时8min。加工所用刀具为CBN。其加工精度的测量结果为：圆度误差为0.85～1.5；表面粗糙度值为0.5～1.2；同轴度误差为1.5～2.5；尺寸精度±10。

（8）液压卡盘零件的硬车削加工。传统的加工工艺：精磨前4道工序，4次装夹，调整共耗时210min，实际加工工时759min。

用硬车削工艺：精车前2道工序，2次装夹，调整共耗时75min，实际加工工时16min。因此，硬车削明显地提高了加工效率。

（9）齿轮内孔的硬车削。汽车、摩托车齿轮零件的材料一般为20CrMnTi，经渗碳淬火后，表面硬度为60～62HRC，齿轮孔精度为IT6，表面粗糙度值。传统加工工艺为：车削加工→热处理→磨削。采用超硬刀具“以车代磨”的加工工艺为：粗车加工→热处理→精车加工。新工艺可大幅度提高加工效率，降低加工成本，原采用磨削工艺一班仅能加工100个小齿轮，现采用PCBN刀具车削(切削参数Vt=60～120m/min，f≤0.12mm/r，ap≤0.1mm)，一班能加工400个小齿轮，而且分摊到每个齿轮的加工成本明显下降。低温冷却干车削低温冷却车削(CryogenicMachining)是利用液态氮(－186℃)、液体CO2(－76℃)及其他低温液体或气体的冷却特性，通过一定装置将冷却气体或液体送入切削区，可极大地降低切削区温度的车削加工方法。这种加工方法可以使切削点低温化，不仅使工件材料局部变脆，有利于切屑的撕裂，降低切削负荷，同时也防止了刀具自身的软化，减少了与工件之间的摩擦、粘结、扩散和相变磨损，使刀具使用寿命得到提高，尤其适合钛、镁、铝、钼、不锈钢等难加工材料和薄壁材料的加工。低温切削装置的原理有以下几种：采用刀具内部制冷方法，甚至把刀具与冷冻机直接相连对刀具进行循环冷却，效果也很明显。利用瓶装液体C02的自喷对切削区直接冷却；用经干燥的空气维持杜瓦瓶的恒压，利用虹吸原理让压缩空气从瓶中抽出液态氮，经特制的喷嘴喷向切削区。实验证明，低温冷却技术的实施有利于切屑的折断，低温切削钛合金、不锈钢、高强度及耐磨铸铁等均能取得良好效果。普通碳素钢的力学性能受切削温度的影响很大，在低温下易于脆裂，因此，切屑在低温条件下呈脆性并比较容易折断，这为低温在冷却切削加工中有助于断屑的应用提供了可行性基础。低温切削具有以下特点：

(1)可减小切削力。由于低温切削降低了切削区的温度，使被切削材料的塑性和韧度降低，脆性增加，切削时变形减小，因而切削力有所降低。与传统车削相比，背向力和进给力分别减小20％和30％，磨削力可减小60％。但切削某些特殊材料或冷却温度过低时，会使被切削材料的硬度明显增高，可能会使切削力有所增加，因此，在特殊情况下，切削力的变化趋势要由低温切削的工艺条件来决定。

(2)切削温度大大降低。低温切削钢时，可降低切削温度300～400℃；切削钛合金时，可降低200～300℃。

(3)刀具使用寿命大幅度提高。由于切削温度大幅度降低，刀具材料的硬度降低较小，刀具磨损减小，刀具使用寿命相应提高。例如，低温切削耐热钢时，刀具使用寿命可提高2倍以上；切削不锈钢时，刀具使用寿命可提高3～5倍。

(4)可提高加工表面质量。传统切削时，用金刚石刀具切削钢料(45钢、T8A、GCrl5)不到lmin时，切削刃明显磨损，加工表面粗糙度明显增大。而在低温切削时，切削时间可达10～20min，肉眼很难看出刀具磨损，加工表面粗糙度无明显变化。据有关资料介绍，工件温度在－20℃时，积屑瘤基本被抑制，低于－20℃时不仅积屑瘤消失，而且在加工表面上可清晰地观察到切削刃原形的刻印痕迹，大大减小了其表面粗糙度值。低温冷却车削加工的应用

高锰钢就是工程上特指的耐磨钢，牌号Mnl3，增韧处理后，在常温下为单相奥氏体组织，具有强度高、塑性大、韧性高、易加工硬化、热导率低、线膨胀系数大等特点，是一种性能优良的结构钢。由于它的性能导致了其在常温下切削加工时，切削力大，切削温度高，刀具易磨损，断屑困难，工件热变形大，是典型的难切削材料。在切削过程中，把工件放入冷冻槽中，数分钟即可达到平衡温度，然后取出进行切削。

高锰钢是具有低温脆性的，根据低温脆性理论，凡是有低温脆性的材料，低温切削时，在降低切削力和切削温度，减少刀具磨损、易于断屑、提高刀具使用寿命和表面质量等方面具有明显的效果。

激光辅助干车削加工

采用激光辅助干切削，可以利用激光对切削区进行预热，从而使工件产生局部温升，加工区域硬度下降，加大了刀具／工件表面之间的硬度差，减小了切削力和刀具磨损，提高了工件的可加工性。

2干铣削加工（1）铸铁的干铣削加工美国LeblondMakino公司研发的“红月牙”(RedCrescent)铸铁干切削技术就是利用陶瓷或CBN刀具进行高速铣削加工。由于切削速度和进给量很高，产生的热量很快聚集在刀具前端，使该处的工件材料达到红热状态，其屈服强度下降，可大大提高切削效率。通常铸铁的金属切除率为16cm3/min，而采用红月牙干切削加工可使其提高到149cm3/min。（2）

铝合金的干铣削加工美国BigThree公司安装了八台高速(15000rpm)金刚石干铣削加工系统，用以加工铝通道盘，加工精度为0.05ｍｍ，每小时加工600件，与以前的磨削加工方法相比每年可节约经费达３百万美元。

（3）不锈钢的干铣削国内某企业在加工不锈钢(不锈耐酸特种钢)阀门座底面时，原来采用SECO公司的T25M(CVD涂层)刀片湿式粗铣和精铣，刀具寿命为9～10件。由于生产批量的急剧上升，企业希望提高粗铣加工的刀具使用寿命，后改用SECO公司的F20M(PVD物理涂层)刀片干粗铣，刀片型号为0FEN070405TN—D18(断屑槽为D18，难加工型)。切削参数：180m/min，2～3mm；每个切削刃可加工24—28个工件，取得了理想的效果。

（4）超高强度钢的干铣削

某牌号的超高强度钢Ni、Cr、Mo元素含量较高，具有高硬度(＞45HRC)、高强度(抗弯强度1174MPa)和良好的韧度，因其优异的物理、力学性能而在国防工业上有着重要应用。原采用硬质合金YTl5刀具进行铣削加工，不仅刀具寿命短，而且加工效率和加工质量都不理想。后采用Si3N4—A1203基陶瓷刀具进行干铣削(刀具几何参数：

切削方式：单齿端面对称干铣削；铣刀盘参数：直径)，加工表面粗糙度值为0.48～0.77，取得了理想的效果，刀具寿命延长8倍。3.干钻削加工

钻削加工时，钻头处于半封闭空间中，钻削产生的热量也聚集在这里，同时切屑也必须从孔中排出，因此，干钻削就显得更为困难。

德国Guhring公司开发了一种新型M-涂层，即在硬涂层外面再加涂一层软涂层，利用该钻头对发动机中的铝制零件进行了高速干钻削加工研究，取得了显著的经济效益。

日本Syun-ichiYamagata改变丝锥成分研究开发了钢材的干式挤压丝锥，与普通的湿式挤压丝锥相比，可显著提高丝锥寿命。干钻削加工的应用深孔加工中的干钻削深孔钻削是金属切削加工中较困难的工艺过程，现在采用普通喷吸钻的工作原理以压缩空气代替切削液的深孔加工方法，钻头的结构设计和几何参数的选择作了适当的改进，制造工艺较为简单。压缩空气由进口处进入后，三分之二的气体从内、外管之间通过钻头上的六个小孔进入切削区，另外的三分之一气体从内管后端的四个斜孔向后排出，由于斜孔很小，气体流速很快，产生喷射效应而形成一个低压区，使管的后端对切削区有一定的吸力，从而将切屑很快向后排出。采用热管技术的干钻削：这种方法是在钻头中加工一个孔，在其中加入液体（水），然后盖上盖子，这样就形成了一个热管。热管在工作中没有任何移动件或电子元件。在钻削过程中，由于钻尖连续与工件接触，因此会产生热量，这些热量会从钻尖处传递到钻头本体上。随着热从钻尖传到热管中，管中液体变热而沸腾，并在热管中产生蒸汽。蒸汽上升会从钻头顶尖处带走部分热量，直至刀夹（V形法兰或HSK）体所在的钻柄处。这种热对流动作可以让刀夹充当散热器，并将热从钻头带走。随着热的扩散，蒸汽冷却并重新冷凝成液态水。液体流回热管，这种循环一直重复进行。实际上，热管是一个热驱动泵，由它将热从钻头顶尖带走。这种热管使钻头的寿命比直接进行干钻的钻头寿命延长了40%～60%。

日本的三菱公司、美国的格里森公司在齿轮干切削方面做了大量的工作。

1)格里森公司用新型硬质合金滚刀在Phoenix机床上用干切削法加工锥齿轮，滚切速度可达3000r/min，降低切削时间50%，加工精度可达AGM12-13级。

4.干式齿轮加工

2)英国最大的独立齿轮加工厂PrecisionComponents是齿轮的大批量生产企业，年产各种汽车用齿轮120万件，产品范围广泛，包括表面淬硬钢、铸铁与渗碳钢的直齿与斜齿圆柱齿轮，同时也生产各种轴齿轮。这些齿轮的节距不同，直径为φ60～φ200mm。该公司购进了1台Liebherr的LCl22滚齿机和1台LCl53滚齿机，采用细晶粒硬质合金滚刀进行干加工。将切削速度从高速钢滚刀的90m/min提高到290m/min。干滚切工艺因不需要使用切削液，除了明显地减小了生产成本与有利于环境保护外，还能获得很好的表面粗糙度，齿轮加工精度可以很容易达到ISO7级精度。3)日本三菱公司推出了世界上第一套干式滚切系统。它采用的切削速度是传统滚切速度的2倍，可达到200m/min。配合专门设计的高速钢(MACH7)干式涂层滚刀，不仅有助于散热，而且减少了刀具磨损，其寿命可延长到一般湿切方式的5倍。这一系统在加工汽车末级传动齿轮、大型重载齿轮、汽车小齿轮及行星齿轮时的效果均非常理想，生产成本至少降低40％。干攻螺纹的应用：

干攻螺纹加工方法在日本、德国等国家均开展了研究，并已应用于生产实际。

德国某公司开发的复合涂层丝锥（MoS2+TiAlN）在含硅量w/（Si为9%）的硅铝合金工件上干攻螺纹，丝锥使用寿命为攻4000个螺孔；而单涂层TiAlN丝锥使用寿命为1000个螺孔；硬质合金丝锥仅加工了20个螺孔。

日本某公司开发的钢件干切削挤压丝锥，与普通加切削液的挤压丝锥相比，使用寿命显著提高。用普通挤压丝锥加工冷轧钢板上M4×0.7的通孔螺纹，加工约7000个螺孔时，丝锥切削部分便产生磨损与粘结，无法继续进行切削；采用新型干切削挤压丝锥加工50000个螺孔以上，丝锥未产生粘结和显著磨损，可继续使用。这表明新型的干切削挤压丝锥与普通挤压丝锥相比，使用寿命提高了数十倍。5.其他干切削加工方法

（2）螺纹旋风硬铣削螺纹的旋风铣削是用安装在刀盘上的多把成形刀，借助于刀盘旋转中心与工件中心的偏心量e来完成渐进式的高速铣削，如图所示。刀盘的旋转轴线相对于工件轴线倾斜一个被加工螺纹的螺旋升角加工时，工件以低速旋转，刀盘以与工件同向（顺铣）或反向（逆铣）高速旋转，工件每转一圈（360度）刀盘纵向进给一个导程，从而铣出螺纹。旋风铣削有内铣法和外铣法两种，其中以后者应用最广。能够直接在淬硬的工件上铣出螺纹，主要是因为：

1）旋风铣削是渐进式的断续切削方式，使切削阻力大大降低；

2）金属切削加工中的高速硬切削、干切削理论，如“绝热剪切理论”、“周期脆性断裂理论”等，在生产实践中得到进一步的验证和发展；

3）先进的刀具材料和精密的刀具、刀盘制造技术为旋风硬铣削创造了必要的条件；

4）新一代的CNC旋风铣床大大强化了机床、工具、刀具系统的动刚度；

5）先进的强冷技术使高速旋风铣削具有优良的排屑和散热条件。美国某公司在丝杠加工中，原先采用的工艺是在软材料上加工出螺纹→淬硬→精磨，整个过程需要约170h的工时。后采用G.E.超硬磨料公司的PCBN刀具进行旋风铣削，直接在已淬硬的钢坯上加工出螺纹，只需1.75h，提高效率近100倍。（3）超声振动镗削

将超声波的能量通过声学系统施加于镗刀上，使其以一定的频率和振幅作圆周扭转振动。由于刀具以（角速度，f为振动频率，A为振幅）速度振动，形成了脉冲力作用的分离型振动切削机理，消除了普通切削过程中的弹性挤压振动，使切削过程变为脉冲状有规律的断续切削，切削力降为普通切削的1/10～1/3，系统稳定，刚性加强。

40CrMnSiMoVA钢是我国自行研制的无镍低合金超高强度钢，主要用于飞机起落架等零件。其加工特点是强度高，切削力大；韧度好，断屑困难；热导率低，切削区温度高，故刀具磨损严重。该种材料有很高的缺口敏感性，加工表面质量要求高，加之这种材料使用硬度高，因此，精加工广泛采用磨削、珩磨、超精加工等方法。但是由于该材料淬火温度高，热处理变形大，因此，加工效率低，特别是对于高精度孔的精加工更为困难。采用超声振动干镗孔的加工方法，可以实现以车代磨、代珩的高效率的精加工。（4）静电冷却干切削技术静电冷却在切削过程中的作用主要表现在：（1）润滑功能。润滑作用取决于工件和刀具初始表面产生强烈的氧化，并伴随形成具有润滑作用的薄膜。（2）冷却能力。空气流的直接冷却，切削区温升下降。（3）切屑断裂和导出能力。干静电冷却进行加工时，对切屑形成过程的控制，不仅可通过改变切削参数和刀具几何角度来实现，也可通过改变干静电冷却装置的工作规范和该装置喷嘴相对于刀具和工件的位置来实现。在许多情况下，干静电冷却装置的空气流能够控制切屑导出过程。（4）对切削刀具材料的要求。工业应用结果和测试证明，使用硬质合金、高速钢及立方氮化硼刀具加工时，静电冷却能获得很好的效果。使用其他冷却方法进行加工，静电冷却方法也有效果，而且不要求使用特殊的材料和涂层。（5）对刀具几何角度和结构的要求。切削刀具不应挡住进入切削区的空气流，应使喷嘴的布置距切削区不超过100mm。（6）对机床结构的要求。机床应保证静电冷却装置布置在靠近切削区。在许多情况下，必须安装防护装置，以便导出切屑和避免切屑落入机床内部。

干静电冷却对表面残余应力的影响：零件在加工后，表层中残余应力的数值和符号对机器寿命的影响，在很多行业都是不可忽视的重要因素，这一点对航空工业尤为突出。大数值拉应力会导致微裂纹的生成，并最终造成零件的破坏，压应力则能延长零件使用寿命。研究结果表明，采用静电冷却干切削加工，在工件表层会产生有利的压应力，在深度内最大值为300～350MPa。5.3干磨削

磨削加工是一种高效的加工方法，具有加工精度高和能加工高硬度零件等优点，有时是其它切削加工方法所不能替代的。

由于磨削速度高，磨屑和磨料粉尘细小，易使周围空气尘化，为防止空气尘化要用磨削液；同时为了防止工件烧伤、裂纹，要冷却降温，也要用磨削液，从而带来废液污染环境的问题。因此世界各国都在进行有利于环保的磨削加工的研究，其基本的思路是不使用或少使用磨削液，同时减少粉尘对环境的污染，以求绿色的磨削加工。

干式磨削在磨削过程中不用任何磨削液，它的优点是形成的磨屑易回收处理，且可节省涉及到磨削液保存、回收处理等方面的的装备及费用，节约了生产成本，也不会造成环境污染。但实现起来比较困难,这是因为原来由冷却液承担的任务，如磨削区润滑、工件冷却以及磨屑排除，都需要另外的方法完成。其中关键问题是如何降低磨削热的产生或使产生的磨削热很快地散发出去。

研究表明：如果使用热传导性良好的CBN砂轮进行低效率磨削，或用金刚石砂轮进行点式磨削，以及采用具有合适散热方式的冷风磨削，仍可使用干式磨削。为此可采取以下措施：

①选择导热性好或能承受较高磨削温度的砂轮，降低磨削对冷却的依赖程度。新型磨料磨具的发展已为此提供了可能性，如具有良好导热性的CBN砂轮可用于干式磨削。②减少同时参加磨削的磨粒数量，以降低磨削热的产生，如点式磨削。

③在满足切磨条件的情况下，减少砂轮圆周速度vs与工件圆周速度vw间的比值（q=vs/vw），这样可使磨削热源快速地在工件表面移动，热量不容易进入工件内部。④提高砂轮的圆周速度，以减少砂轮与工件的接触时间。同时为了保持上述的速比q不变，应等量地提高工件的圆周速度。⑤用新型冷却方式，如采用强冷风磨削。（1)强冷风干式磨削

强冷风磨削加工是日本最近开发成功的一项新技术。强冷风磨削是通过热交换器，把低温压缩空气用经喷嘴喷射到磨削点上，将磨削加工所产生的热量带走。同时，由于压缩空气温度很低，产生热量少，所以在磨削点上很少有火花出现，因而工件热变形极小，可得到10μm以内的椭圆度。

实施强冷风磨削最理想的是与CBN砂轮结合使用，可充分发挥CBN的优越性。这是因为CBN磨粒的导热率是传统砂轮磨粒Al2O3、SiC及钢铁材料的15倍。如果用传统砂轮磨削，加工点上产生的热量不易从工件上散出，工件的温度会上升到1000℃左右；如果用CBN砂轮磨削，加工点上产生的热量可经导热率大的CBN磨粒传递出去，工件温度约有300℃左右。因此，使用CBN砂轮进行干式磨削时，再对磨削点实行强冷风吹冷，可得到良好的效果。

强冷风磨削也为被加工材料的再生利用开辟了道路，设置在磨削点下方的真空泵吸走磨削产生的磨屑，这些磨屑粉末纯度很高，几乎没有混入磨料和粘结剂颗粒。这是因为Al2O3砂轮的磨削比（工件的材料磨除量与砂轮磨损量之比称为磨削比）是600，而CBN砂轮的磨削比约为30000。CBN砂轮几乎不磨损，磨屑中没有砂轮的粉末，因此，磨屑粉末融化后再生材料的成分几乎没有发生变化。（2）低温CO2干磨削

除冷却空气外，利用低温二氧化碳进行强冷磨削，也是干式磨削加工中常见的一种方法。例如，在改装的外圆磨床上，采用A80KV棕刚玉砂轮和粒度80的金属基体电镀CBN砂轮进行低温CO2干磨削。砂轮线速度为20m/s，工件材料为Q235，工件速度为11～34m/min，磨削深度10～35mm。（3)点磨削

点磨削是另一种形式的干式磨削，它是由德国容克公司首先发展起来的一种超硬磨料高效磨削新工艺，目前在我国汽车工业中已得到应用。该工艺有极高的金属去除率和很高的加工柔性，在一次装夹中可以完成工件上所有外形的磨削，同时产生的热量少，散热条件好。

点磨削是利用超高线速度（120～250m/s）的单层CBN薄砂轮（宽度仅几毫米）来实现的。点磨削主要有以下特点：

①点磨削用提高磨削速度的方法来提高加工效率，而CBN磨料的高硬度、高耐磨性为提高磨削速度提供了可能，并且此砂轮是由电镀和钎焊单层超硬磨料而成型，更允许进行超高速磨削。以这种速度磨削，去除率高、砂轮寿命长，同时磨削时变形速度超过热量传导速度，大量变形能转化成的热量随磨屑被带走，而来不及传到工件和砂轮上，是一种冷态磨削。这样提高了加工精度和加工表面质量，砂轮表面温度几乎不升高。

②点磨削在提高砂轮速度的同时，还减薄了砂轮的厚度，使砂轮的厚度只有几个毫米，这可以降低砂轮的造价，提高砂轮制造质量。薄砂轮还降低砂轮的重量和不平衡度，大大降低运转时施加在轴上的离心力。

③为减少砂轮与工件间的磨削接触，加工时，砂轮轴线与工件轴线形成一定的倾角，这使砂轮与工件之间的接触变成点接触（这也是点磨削名称的由来）。这样降低了磨削接触区的面积，不存在磨削封闭区，更利于磨削热的散发。

⑤点磨削砂轮寿命长（可使用一年），修整频率低（每次修整可磨削加工20万件）。

④点磨削时，砂轮与工件间磨削接触区为点接触，磨削力大大减小，这实际上等于增加了机床刚度，减轻了磨削产生的振动，使磨削平稳，同时提高了砂轮寿命和加工质量。干式切削及亚干式切削被认为是绿色制造行业的可行性方法。干切削存在对环境无污染、对人体无危害、形成的切屑干净、易回收、省去了切削液及相关费用等优点。但干切削加工需要具有较好性能的刀具和相应的制冷设施，这就使得总成木提高，所以干切削在实用化方面存在不容忽视的弊端。而亚干切削技术既可满足加工要求，又可使与切削液相关的费用降至最低。介于湿式切削与干式切削之间的加工技术称为亚干式切削（准干切削技术neardrymachining），其工作机理是在保持切削工作的最佳状态（即不缩短刀具寿命，不降低加工表面质量等）的同时，使得切削液的用量最少。1.亚干切削技术简介5.4亚干切削加工的理论研究与应用2.亚干切削技术优势亚干切削技术的具体优势在于:1）少量的环保型冷却液或润滑油借助压缩空气或者冷风对切削部位进行冷却，加工后刀具、工件、切屑仍然保持干燥，不需要进行废液处理，对人体无危害，对环境无污染；2）节约资源，减小刀具-工件、刀具-切屑的摩擦，抑制温升，防止粘结，延长刀具寿命，提高加工表面质量；3）由于使用切削液量为最少，因此系统结构简单，占地面积小，易布局。

微量润滑(MQL)切削是国内外比较重视的一种准干式切削方法，它将压缩空气与少量的润滑剂混合雾化后，形成毫、微米级气雾，然后喷向切削区，对刀具与切屑和刀具与工件的接触界进行润滑，以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同时也冷却了切削区并有利于排屑，从而显著地改善了切削加工条件。MQL法所使用的润滑液用量非常少，一般为0.03-0.2L/h；而一台典型的加工中心在进行湿切削时，切削液用量高达20-100L/min。而MQL技术只要使用得当，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的处理，清洁和干净的切屑经过压缩还可以回收使用，完全不污染环境。（1）微量润滑(MQL)切削技术3.亚干切削加工技术切削液用量很少时，会在切削区域形成单分子润滑膜；随着切削液用量的增加，润滑薄膜厚度均匀增加，如图中A所示，随着切削液进一步增加，润滑膜形状如图中B所示，当切削液继续增加，将会填满工件表面波峰波谷（如图中C所示）。由此可知：当切削液厚度保持在A和C之间时，波峰顶端润滑膜厚度将保持不变，由于刀具与工件之间的摩擦发生在波峰顶端，所以切削液用量不影响摩擦系数的大小。当波峰顶端切削液薄膜被破坏时，波峰波谷的切削液将快速补充到波峰顶端；当切削液膜厚度小于厚度A时，切削液液体不易流动，波峰顶端的切削液薄膜一旦被破坏将得不到及时补充，摩擦系数会变大。当切削液厚度大于C时，摩擦系数将不是一个固定的常数值。因此，对加工区域进行润滑时，并非切削液用量越多越好。由此可知：MQL技术就是将微量切削液吸附在切削加工区域形成润滑薄膜，起到润滑作用。固体-切削液传热示意图温度曲线滞留层对流层固体温度℃滞留层对流层浇注式与MQL切削中切削液的分布浇注式MQL（3）润滑冷却效果明显，当冷却润滑液中的水分蒸发后，润滑成分就滞留在了工作区，在加工表面上形成润滑薄膜，同时也保持了机床的干燥。MQL实现方式一般是切削液在高压气体的作用下形成雾状的气雾混合体，经过收缩喷嘴以高速喷向加工区域，对加工区进行冷却和润滑。

对比传统的浇注方法，雾化冷却方法具有以下特点：（1）高速气流带着微小水珠很容易就渗透到加工面，有效地降低了摩擦和摩擦热，延长了刀具寿命；

（2）在降低摩擦的同时，使高精密加工成为可能，更容易实现工件的微米级精加工；实验研究：采用MQL技术高速铣削铝合金时，在油雾润滑状态下，刀具上的材料粘附很少，极大地提高了刀具的寿命。同样，在钢的切削试验中，MQL技术大大减小了切削力，减少了后刀面磨损，改善了已加工表面质量，避免了切削中的集中热应力，减小了毛刺重量和长度。MQL的优势更加体现在高速切削过程中，切削效果明显优于普通的浇注冷却方式。

MQL的实现中也会遇到一些问题:1）冷却方式的选择

MQL技术主要包括外部润滑冷却和内部润滑冷却两种方式。内部润滑方式比外部润滑方式更有效地对加工区进行润滑冷却，不过内部润滑时刀具的形状比较复杂，而外部润滑方式喷嘴的喷射方位也影响着润滑冷却的效果。因此如何选取正确的润滑冷却方式，对提高切削加工的质量和效率是很重要的。2）雾粒直径的控制

MQL要求每小时只消耗几十毫升的润滑液，所以就必须严格控制雾粒的直径大小。而且雾粒直径越小，润滑液就越容易进入到刀具的前后刀面处，冷却润滑的效果就越好。但要形成微米级微粒也是比较困难的，国内在这方面的成就还不是很多，但国外一些公司生产的MQL设备己经能够生成直径为几个微米的雾粒。所以如何形成毫、微米级气雾己经成为国内MQL技术研究的主要问题。4）润滑油的选择根据环保要求和下一代机床要求油品润滑性能好、使用寿命长的特点，MQL润滑应使用生物降解性能好、承载能力高、蒸发损失少、氧化稳定性优越的酯类润滑油。3）空气中油雾微粒含量的控制传统的冷却液浇注法与MQL所造成的空气中油雾微粒浓度是不同的。国外大学进行了MQL和浇注切削下产生的空气油雾微粒浓度对比实验，发现MQL冷却下空气中的油雾浓度要远大于传统浇注法。因此由于较高的油雾微粒生成量，使得采用MQL加工方法的机床上必须具有封闭、抽吸通风以及空气清新设施，给MQL加工带来了附加的成木。所以，控制加工中空气的油雾含量也是要解决的一个重要问题。1）高压水射流切割原理

自上世纪50年代起，人们开始研究一种独特的冷切割新工艺，利用高聚能水射流对材料的破坏作用来切割材料。但由于当时技术水平的限制，无法将水的能量提得很高，压力只在100MPa以下。到70年代，研制出了高压泵和增压器，其水压可达200MPa以上，目前水压可达1000MP以上。1971年，首台高压水射流切割机在美国问世，可切割多种非金属软材料。1983年，美国又发明磨料水射流切割机，其切割能力大幅度提高，可切割各种金属及非金属材料，从而有了新的突破。（2）高能束加工技术

水射流切割是将超高压水射流发生器与二维数控加工平台组合而成的一种平面切割机床。它将水流的压力提升到足够高（200MPa以上），使水流具有极大的动能，可以穿透化纤、木材、皮革、橡胶等，在高速水流中混合一定比例的磨料，则可以穿透几乎所有坚硬材料如陶瓷、石材、玻璃、金属、合金等。在二维数控加工平台的引导下，在材料的任意位置开始加工或结束加工，按设定的轨迹以适当的速度移动，实现任意图形的平面切割加工。2）水射流切割绿色加工方法的特点：