干式、半干式和低温冷风切削加工技术
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1 引言

在切削过程中,三个变形区的金属产生弹性变形、塑性变形及摩擦变形,切削功率的99.5%均转变为剪切滑移变形(第一变形区)、前刀面摩擦变形(第二变形区)及挤压、过剩变形、后刀面摩擦变形(第三变形区)所耗能量,并在一瞬间转变为热能,出现切屑、刀具切削刃区域及工件表面温升的现象。
切削热是伴随金属切削过程中必然的一种物理现象,对工件质量、刀具寿命有不可忽视的影响。低速切削时,机械磨损是刀具磨损的主要原因;而高速切削时,切削高温诱导刀具的磨损,由机械磨损为主转化为扩散磨损、相变磨损和炭化磨损为主要磨损机理,并引发刀具表面的粘结磨损。切削热还使刀具和工件热膨胀,加剧后刀面摩擦与磨损,引起工件表面粗糙度上升,故超精加工工艺特别强调必须及时、有效地控制切削热在工件、刀具内的传导。控制刀具、工件温升对数控加工也具有十分重要的意义。
金属的切削热起源于材料的强度、硬度、韧性、塑性及弹性,研究还表明,影响切削过程中刀具与工件的温升与刀具、工件的接触面积、传热系数、温差、接触时间的长短等因素有密切关系。通常情况下,减少吃刀量可减少刀具与热源的接触面积;加大冷却介质的流速、流量即为增大传热系数;降低冷却介质的温度即可增大刀具、工件的热容量和温差效应;而提高机床转速和切削速度实际上是缩短了切削热的传导时间。
由此可见,要控制金属的切削热及刀具、工件的温升,必须综合考虑多方面因素,除了根据金属材料的特性、机加技术指标,合理选择刀具、切削工艺参数以外,最直接的措施是利用各种冷却介质,迅速带走刀具和工件上的切削热量、降低温度。

2 干式、半干式切削的发展

  1. 当代金属切削加工业的重大课题
    在金属切削加工技术中有干式切削和湿式切削的两种方法。在低于180m/min的切削速度下,湿式切削方法能够获得理想的切削效果,已被广泛运用。在切削过程中,切削液主要具有降温、润滑、排屑等三个作用。
    随着数控化的普及、刀具制造技术的提高,金属切削机床的切削速度越来越快、加工效率越来越高,随之所产生的切削热和刀尖温升也越来越快、越来越高。由于机床主轴高速回转(8000~60000r/min)会在刀具周围产生离心高速、高压气流,依靠常规加大切削液流量、降低切削温升的办法已不能达到理想的效果。而切削液历来是金属切削加工业的主要污染源,这些有害液体的大量排放,加工时的飞溅、升腾,以至于粘附在切屑上的露天放置、长时间的泄漏、排放,最终会污染自然环境与水源。此外,切削液相关的费用也在逐年增加,使得机械零件的加工成本逐年上升。
    20世纪90年代初,发达国家的专家们围绕金属切削加工过程对环境的影响问题,进行了认真的研讨,各国政府都拔专款资助以代替油剂湿式切削、清洁加工为目的干式切削加工工艺的研究。1996年9月,ISO14000环境标准在欧洲通过以后,各国政府都加大了因切削剂污染环境的处罚力度,制定了非常严格的切削废液管理、限制使用措施,因此,开发不使用(或少使用)切削液的加工技术就成为发达国家金属切削加工业所面临的重大课题;科技界努力创造、研究既能改善加工环境、节约能源,又能提高效率、降低成本的干式加工工艺方法。
  2. 干式切削加工法
    现代干式切削技术,就是要研究、寻找不使用(或少使用)切削液,能起到上述三个作用,改善切削条件、满足加工要求的方法。
    目前,国际上流行的不使用切削液的切削方法主要有:①完全不使用切削液的——全干式切削(高速干式切削法);②用气体混合微量润滑剂代替切削液的——半干式切削。
  3. 全干式切削法的特点
    全干式切削法,也叫高速干式切削法。机床主轴高速回转(通常在20000~60000r/min),使用高强度刀具,小切深、大走刀,进行超高速切削加工。切削热90%以上被切屑带走,通过切削工艺条件的改变来实现无切削液化加工,其效率高、成本低,而机床、刀具投入的技术与成本很高。目前,欧、美国家较为流行,德国处于国际领先水平。据2001年统计,德国已有8%左右的企业采用了这一技术,预计到2003年德国将有20%以上的企业采用这一技术。
  4. 半干式切削法的特点
    半干式切削法是用气体加微量无害油剂代替切削液的降温、润滑、排屑的切削方式。常见的有:MQL(微量润滑)切削、氮气流切削、超低温冷却切削和低温冷风切削。日本较多应用,在1998年第19届东京国际机床展览会上,日本参展的69台机床中有43台具有半干式切削功能。
    1. MQL(微量润滑)切削
      一种国外较为流行的半干式切削方法,在常温压缩空气中混入微量的无公害油雾代替大量切削液,对切削点实施冷却、润滑和排屑。
    2. 氮气流切削
      专用氮气发生装置把空气中的氧气、二氧化碳和水排出,提取氮气,并将这些常温氮气喷入切削区,以解金属材料的氧化过程,并达到降低温升的目的。
    3. 超低温冷却切削
      在一定压力作用下,将-180℃的液氮,或是-76℃的CO2液体送入切削点,代替大量油剂的切削方法。但该方法技术难度大、成本高。
    4. 低温冷风切削
      将压缩空气的温度降低到零下20℃~30℃,混入微量润滑剂,对切削点实施冷却、润滑和排屑,这种方法与MQL切削不同之处是超低温风冷,使切削点低温化。

3 低温冷风切削法

  1. 低温冷风对刀具寿命的影响
    在切削过程中,刀尖切削点的温升对刀具寿命的影响很大,低温冷风切削法就是向刀尖的加工部位喷射零下20℃~30℃甚至更低的低温气流,并混入微量的植物性润滑剂(每小时10~20ml),产生低温气流降温、微量油雾润滑切削和排屑的作用。切削点低温化,不仅使工件材料局部冷脆,有利于切屑的剪切断裂和降低切削负荷,同时也防止了刀具自身的扩散磨损、相变磨损和粘结磨损,微量油雾润滑降低了刀具与工件、刀具与切屑间的摩擦力,使刀具寿命得到延长。低温冷风切削法尤其适合钛、镁、钼、高硅铝合金、不锈钢等难切削材料和薄壁材料的加工。干式、油剂、MQL车削与低温冷风车削的切削性能的对比情况见图1。

    图1 切削性能对比
  2. 低温冷风对加工质量的影响
    在金属切削加工过程中,工件温度的高低对表面加工尺寸的稳定影响很大。试验证明,低温冷风切削时,工件和刀具的温升低、变形小,刀具后端面切削阻力减小。而且,由于切削点的温度相对平稳,加工表面残余应力小,工件表面质量容易保证。在成都宁江机床厂最近进行的试验中,用金刚石刀具超精加工铝合金,使用低温冷风切削技术,工件表面粗糙度高达Ra0.05µm,而在相同切削条件下使用油剂车削,表面粗糙度仅为Ra0.15µm,显示出低温冷风喷射切削技术的优越性能。
  3. 低温冷风切削的优点
    干式、半干式切削被称为新世纪的切削技术,而低温冷风切削技术又是最适合我国国情、最为实用的一种,它有如下优点:

      图2 冷风切削加工航空零件

      图3 冷风切削加工铝板
    1. 加工效率可成倍提高(低温冷风车削可以提高效率, 倍,低温冷风磨削可以提高效率3~4倍,低温冷风内冷钻削方式可以提高效率20倍左右);
    2. 几乎无污染,改善生产条件;
    3. 节约切削剂采购费,降低生产成本;
    4. 切屑可以直接回收,增加经济效益;
    5. 有利于自动加工、检测和监控;
    6. 工件尺寸受加工温度影响很小,质量稳定;
    7. 刀具寿命成倍延长,降低刀具成本、缩短机床准备时间;
    8. 有利于钛、镁、镍铬合金等难切削材料的加工;
    9. 有利于企业ISO14000和ISO160000标准的认证。

4 结语

低温冷风切削技术可使刀具的切削效率更高、切削性能更好,应用前景广阔。并使企业在清洁加工中,既获得环保又获得巨大的经济效益。目前,低温冷风切削技术在我国已有应用,应用实例可参见图2、图3。
本文作者:重庆成田低温加工技术有限公司 张昌义
重庆大学 童明伟

原载:《工具技术》2004年第1期
上载于:2005-5-10 20:58:26

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