制造業(yè)是產(chǎn)生工業(yè)污染的主要來源之一,其中傳統(tǒng)加工所使用的切削液給環(huán)境造成了嚴重的污染。隨著人們對環(huán)境保護的日益重視,尤其是環(huán)境保護法規(guī)的嚴格實施,對制造業(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),越來越受到人們的重視。近年來,許多發(fā)達國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),以達到減少切削加工 的潤滑污染、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)是在無冷卻或少許潤滑油、劑的條件下,采用高切削速度進行切削加工的方法。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)域會產(chǎn)生大量的切削熱將無法及時的散發(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,克服其缺點,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)有高的強度和抗沖擊韌性。
 圖1 熱管式車刀 |
 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斷屑、排屑及自冷卻的要求,必須對刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)進行優(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;
- 采用負前角或前后刀面凸起,以延緩月牙哇對刀刃的損傷;
- 增大負刃傾角,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 為熱管式車刀結(jié)構(gòu)、圖2為熱管式銑刀結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點是在車刀的刀體和銑刀的每個刀齒內(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TITEX公司開發(fā)的干式深孔鉆頭“ALPHA22”鉆尖結(jié)構(gòu)。該鉆頭刀刃經(jīng)過專門優(yōu)化設(shè)計,以減少刀具與工件間的接觸強度。
- 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:超細硬質(zhì)合金、陶瓷刀具、金剛石與氮化硼等超硬度材料。
- 超 細 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3,200~4,000HV,僅次于金剛石、熱傳導率好,達1,300W/MK、具有良好的高溫化學穩(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,可以以車削代替磨削。
- 聚晶金剛石(PCD)刀具硬度高,可達7,000~8,000HV,熱導率可達2,100 W/MK,線膨脹系數(shù)小。PCD刀具切削時產(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公司用涂層刀具進行干式銑削的情況。
- 低溫冷風切削
- 低溫冷風切削的概念是由日本人橫川和尹首先提出來的是一種在-10~-100℃冷風冷卻和非常微量的植物油潤滑條件下進行干式切削的技術(shù)。有關(guān)研究表明,在刀具表面涂一層薄薄的植物油,在切削加上點進行低溫冷風冷卻,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結(jié)果:以刀具后刀面磨損寬度達0.2mm為評價嚴重磨損的指標的話,完全干式切削時刀具切削長度為1000mm、只供給 Acc-Lube精密潤滑油的刀具切削長度為1500mm、只用-12℃的冷風,切削長度為2000mm、在供給-12℃冷風的同時,在切削部位注入 1ml/h的Acc-Lube精密潤滑油,切削長度為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 |
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 |
- 氣霧潤滑切削
- 氣霧潤滑是采用一定的噴射冷卻裝置,將冷卻液霧化為毫米級的氣霧,不斷噴射到刀具表面進行潤滑的切削加工。其工作原理是把冷卻液通過噴射裝置與空氣充分混合,并且,在高壓下通過多孔噴射出內(nèi)噴嘴形成冷卻循環(huán)、外噴嘴形成氣柱,對刀具進行冷卻與潤滑。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,必須用冷卻潤滑劑對刀其進行冷卻。但是,如果采用上述技術(shù)措施,如,改進刀具材料與結(jié)構(gòu)、改變冷卻形式、及時排除切屑等,完全能實現(xiàn)干式切削加工。如美國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,工件的屈服強度減小,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到1828~3048m/min,切除率達49cm3/min。與此同時由于工件的屈服強度、切削阻力減小提高了主軸入口的夾緊力,簡化了復(fù)雜工件的加工過程。如,LeBlong公司在一臺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
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。我國的干式切削加工技術(shù)同國外相比還有較大的差距,隨著干式切削加上技術(shù)在我國金屬切削加工中的推廣,尤其是在車削銑削中的廣泛應(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。