制造業(yè)是產(chǎn)生工業(yè)污染的主要來(lái)源之一,其中傳統(tǒng)加工所使用的切削液給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視,尤其是環(huán)境保護(hù)法規(guī)的嚴(yán)格實(shí)施,對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生的環(huán)境污染提出了更高的要求。一種能減少對(duì)環(huán)境污染、節(jié)約資源和能源的綠色制造技術(shù)——干切削加工技術(shù),越來(lái)越受到人們的重視。近年來(lái),許多發(fā)達(dá)國(guó)家在工廠條件允許的情況下正積極地采用干式切削加工技術(shù),以達(dá)到減少切削加工 的潤(rùn)滑污染、降低加工成本的目的。
1 干式切削加工相關(guān)技術(shù)
干式切削加工技術(shù)是在無(wú)冷卻或少許潤(rùn)滑油、劑的條件下,采用高切削速度進(jìn)行切削加工的方法。在于式切削條件下,失去切削液、冷卻、清洗、排屑的作用,切削條件非常惡劣。在切削區(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱將無(wú)法及時(shí)的散發(fā),溫度和切削力大幅度上升,摩擦力增大,刀具磨損加快,生產(chǎn)效率降低。因此要使干式切削加工工藝得到很好地推廣,充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),克服其缺點(diǎn),就必須要很好地解決干式切削加工相關(guān)地技術(shù)難題。
- 刀具結(jié)構(gòu)
- 干式切削刀具應(yīng)滿足以下要求:
- 刀具材料應(yīng)有良好的耐熱性和耐磨性;
- 切屑及刀具之間的摩擦系數(shù)要盡可能??;
- 刀具的結(jié)構(gòu)要保證排屑流暢與散熱;
- 刀具應(yīng)有高的強(qiáng)度和抗沖擊韌性。
 圖1 熱管式車(chē)刀 |
 圖2 熱管式銑刀 |
 圖3 ALPHA22鉆尖結(jié)構(gòu) |
- 刀具結(jié)構(gòu)為了保證干式切削對(duì)斷屑、排屑及自冷卻的要求,必須對(duì)刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如:
- 在切削力較小的情況下,可采用大前角和大圓度切削角;
- 采用負(fù)前角或前后刀面凸起,以延緩月牙哇對(duì)刀刃的損傷;
- 增大負(fù)刃傾角,改善刀刃及刀頭的切入狀態(tài),提高刀具的抗沖擊和抗熱震能力。
- 圖1 為熱管式車(chē)刀結(jié)構(gòu)、圖2為熱管式銑刀結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在車(chē)刀的刀體和銑刀的每個(gè)刀齒內(nèi)部制成空心的熱管,配以冷氣系統(tǒng),可把大量的切削熱量帶走。圖3為德國(guó)TITEX公司開(kāi)發(fā)的干式深孔鉆頭“ALPHA22”鉆尖結(jié)構(gòu)。該鉆頭刀刃經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì),以減少刀具與工件間的接觸強(qiáng)度。
- 刀具材料
- 近幾年,高硬度材料的出現(xiàn),為干式切削提供了可能。目前應(yīng)用于干式切削加工的刀具材料主要是:超細(xì)硬質(zhì)合金、陶瓷刀具、金剛石與氮化硼等超硬度材料。
- 超 細(xì) 硬 質(zhì)合金可以提高普通硬質(zhì)合金的韌性,具有很好的耐磨性和耐高溫性,可用于制作大前角的深孔鉆頭、刀片作銑削和鉆削的干式加工。
- 立方氮化硼(CBN)材料的硬度高,達(dá)3,200~4,000HV,僅次于金剛石、熱傳導(dǎo)率好,達(dá)1,300W/MK、具有良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性,在1,200℃下熱穩(wěn)定很好。采CBN刀其用于加〔鑄鐵,可大大提高切削速度、用于加工粹火鋼,可以以車(chē)削代替磨削。
- 聚晶金剛石(PCD)刀具硬度高,可達(dá)7,000~8,000HV,熱導(dǎo)率可達(dá)2,100 W/MK,線膨脹系數(shù)小。PCD刀具切削時(shí)產(chǎn)生的熱能很決從刀尖傳遞到刀體,從而減少刀具熱變形引起的加工誤差。PCD刀具適用于干式加工銅、鋁及鋁合金工件。
- 涂層硬質(zhì)合金刀具很適合干式切削加工。涂層的作用主要是在刀具與切削材料之間形成隔熱層,抑制切削的熱沖擊,減少摩擦系數(shù),減少刀具的磨損。刀具涂層厚度為 1~5μm。涂層的材料有TiC, TiAlN, TiCN等,其中TiAlN具有較好的耐熱性能和高溫性能,其高溫連續(xù)切削性能是TiC涂層的4倍,高溫硬度高于TiN。表1是SECO公司用涂層刀具進(jìn)行干式銑削的情況。
- 低溫冷風(fēng)切削
- 低溫冷風(fēng)切削的概念是由日本人橫川和尹首先提出來(lái)的是一種在-10~-100℃冷風(fēng)冷卻和非常微量的植物油潤(rùn)滑條件下進(jìn)行干式切削的技術(shù)。有關(guān)研究表明,在刀具表面涂一層薄薄的植物油,在切削加上點(diǎn)進(jìn)行低溫冷風(fēng)冷卻,其干式加工的效果很理想。如,在切削條件為:工件直徑:?92~?98mm;切削速度45.1~48.Om/min;進(jìn)給 O.5mm;切削余角:45°;刀具:刀具半徑RO.4mm, SKH高速鋼不重磨刀片的試驗(yàn)結(jié)果:以刀具后刀面磨損寬度達(dá)0.2mm為評(píng)價(jià)嚴(yán)重磨損的指標(biāo)的話,完全干式切削時(shí)刀具切削長(zhǎng)度為1000mm、只供給 Acc-Lube精密潤(rùn)滑油的刀具切削長(zhǎng)度為1500mm、只用-12℃的冷風(fēng),切削長(zhǎng)度為2000mm、在供給-12℃冷風(fēng)的同時(shí),在切削部位注入 1ml/h的Acc-Lube精密潤(rùn)滑油,切削長(zhǎng)度為4000mm。
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表1 涂層硬質(zhì)合金刀片的應(yīng)用
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刀具種類(lèi) |
涂層材料 |
適用的加工材料 |
T150M |
Ti(C、N)+Al203 |
灰口鑄鐵、球墨鑄鐵 |
T250M |
TiC,Ti(C、N)+TiN |
碳鋼、不銹鋼 |
F20M |
Ti(C、N)+(Ti、Al)N+TiN |
不銹鋼 |
F40M |
Ti(C、N)+(Ti、Al)N+TiN |
不銹鋼 |
- 氣霧潤(rùn)滑切削
- 氣霧潤(rùn)滑是采用一定的噴射冷卻裝置,將冷卻液霧化為毫米級(jí)的氣霧,不斷噴射到刀具表面進(jìn)行潤(rùn)滑的切削加工。其工作原理是把冷卻液通過(guò)噴射裝置與空氣充分混合,并且,在高壓下通過(guò)多孔噴射出內(nèi)噴嘴形成冷卻循環(huán)、外噴嘴形成氣柱,對(duì)刀具進(jìn)行冷卻與潤(rùn)滑。該方法能節(jié)約大量的冷卻液,其冷卻液用量在50ml/h以下。在鋼加工和孔深為5倍以上的孔加工中采用此辦法效果很好。
2 干式切削加工的應(yīng)用
在一般的切削加工中,由于切削力和金屬變形將在切削區(qū)產(chǎn)生很高的切削熱,必須用冷卻潤(rùn)滑劑對(duì)刀其進(jìn)行冷卻。但是,如果采用上述技術(shù)措施,如,改進(jìn)刀具材料與結(jié)構(gòu)、改變冷卻形式、及時(shí)排除切屑等,完全能實(shí)現(xiàn)干式切削加工。如美國(guó)Makino公司的“紅月牙”干式加工技術(shù),該技術(shù)采用高切削速度和大進(jìn)給加工鑄鐵,使熱量很快聚集在切削刀具前端,刀具前端形成紅熱狀態(tài),工件加工區(qū)域形成370℃左右的高溫,此時(shí),工件的屈服強(qiáng)度減小,從而使切削效率大大的增大在通常情況下,加工鑄鐵的切削速度為914~1219m/min、切除率16cm3/min而采用“紅月牙”干式切削工藝切削速度將能達(dá)到1828~3048m/min,切除率達(dá)49cm3/min。與此同時(shí)由于工件的屈服強(qiáng)度、切削阻力減小提高了主軸入口的夾緊力,簡(jiǎn)化了復(fù)雜工件的加工過(guò)程。如,LeBlong公司在一臺(tái)加工中心上僅用三種夾具就完成了V8缸體的全部加工,取代了26工位的傳輸線。
3 結(jié)束語(yǔ)
干式加工與濕式加工相比,不但提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本,而且有利于環(huán)保,是一種理想的,清潔的金屬切削加工方法。我國(guó)的干式切削加工技術(shù)同國(guó)外相比還有較大的差距,隨著干式切削加上技術(shù)在我國(guó)金屬切削加工中的推廣,尤其是在車(chē)削銑削中的廣泛應(yīng)用,必將提高我們的切削加工效率,降低生產(chǎn)成本、提高零件的切削加工質(zhì)量。