干式切削加工技术及其应用
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制造业是产生工业污染的主要来源之一,其中传统加工所使用的切削液给环境造成了严重的污染。随着人们对环境保护的日益重视,尤其是环境保护法规的严格实施,对制造业产生的环境污染提出了更高的要求。一种能减少对环境污染、节约资源和能源的绿色制造技术——干切削加工技术,越来越受到人们的重视。近年来,许多发达国家在工厂条件允许的情况下正积极地采用干式切削加工技术,以达到减少切削加工的润滑污染、降低加工成本的目的。

1 干式切削加工相关技术

干式切削加工技术是在无冷却或少许润滑油、剂的条件下,采用高切削速度进行切削加工的方法。在于式切削条件下,失去切削液、冷却、清洗、排屑的作用,切削条件非常恶劣。在切削区域会产生大量的切削热将无法及时的散发,温度和切削力大幅度上升,摩擦力增大,刀具磨损加快,生产效率降低。因此要使干式切削加工工艺得到很好地推广,充分发挥其优势,克服其缺点,就必须要很好地解决干式切削加工相关地技术难题。
  1. 刀具结构
    干式切削刀具应满足以下要求:
    1. 刀具材料应有良好的耐热性和耐磨性;
    2. 切屑及刀具之间的摩擦系数要尽可能小;
    3. 刀具的结构要保证排屑流畅与散热;
    4. 刀具应有高的强度和抗冲击韧性。

    图1 热管式车刀

    图2 热管式铣刀

    图3 ALPHA22钻尖结构
    刀具结构为了保证干式切削对断屑、排屑及自冷却的要求,必须对刀具结构和几何参数进行优化。如:
    1. 在切削力较小的情况下,可采用大前角和大圆度切削角;
    2. 采用负前角或前后刀面凸起,以延缓月牙哇对刀刃的损伤;
    3. 增大负刃倾角,改善刀刃及刀头的切入状态,提高刀具的抗冲击和抗热震能力。
    图1为热管式车刀结构、图2为热管式铣刀结构。其结构特点是在车刀的刀体和铣刀的每个刀齿内部制成空心的热管,配以冷气系统,可把大量的切削热量带走。图3为德国TITEX公司开发的干式深孔钻头“ALPHA22”钻尖结构。该钻头刀刃经过专门优化设计,以减少刀具与工件间的接触强度。
  2. 刀具材料
    近几年,高硬度材料的出现,为干式切削提供了可能。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是:超细硬质合金、陶瓷刀具、金刚石与氮化硼等超硬度材料。
    1. 超 细 硬 质合金可以提高普通硬质合金的韧性,具有很好的耐磨性和耐高温性,可用于制作大前角的深孔钻头、刀片作铣削和钻削的干式加工。
    2. 立方氮化硼(CBN)材料的硬度高,达3,200~4,000HV,仅次于金刚石、热传导率好,达1,300W/MK、具有良好的高温化学稳定性,在1,200℃下热稳定很好。采CBN刀其用于加〔铸铁,可大大提高切削速度、用于加工粹火钢,可以以车削代替磨削。
    3. 聚晶金刚石(PCD)刀具硬度高,可达7,000~8,000HV,热导率可达2,100 W/MK,线膨胀系数小。PCD刀具切削时产生的热能很决从刀尖传递到刀体,从而减少刀具热变形引起的加工误差。PCD刀具适用于干式加工铜、铝及铝合金工件。
    4. 涂层硬质合金刀具很适合干式切削加工。涂层的作用主要是在刀具与切削材料之间形成隔热层,抑制切削的热冲击,减少摩擦系数,减少刀具的磨损。刀具涂层厚度为1~5µm。涂层的材料有TiC, TiAlN, TiCN等,其中TiAlN具有较好的耐热性能和高温性能,其高温连续切削性能是TiC涂层的4倍,高温硬度高于TiN。表1是SECO公司用涂层刀具进行干式铣削的情况。
  3. 低温冷风切削
    低温冷风切削的概念是由日本人横川和尹首先提出来的是一种在-10~-100℃冷风冷却和非常微量的植物油润滑条件下进行干式切削的技术。有关研究表明,在刀具表面涂一层薄薄的植物油,在切削加上点进行低温冷风冷却,其干式加工的效果很理想。如,在切削条件为:工件直径:Ø92~Ø98mm;切削速度45.1~48.Om/min;进给O.5mm;切削余角:45°;刀具:刀具半径RO.4mm, SKH高速钢不重磨刀片的试验结果:以刀具后刀面磨损宽度达0.2mm为评价严重磨损的指标的话,完全干式切削时刀具切削长度为1000mm、只供给Acc-Lube精密润滑油的刀具切削长度为1500mm、只用-12℃的冷风,切削长度为2000mm、在供给-12℃冷风的同时,在切削部位注入1ml/h的Acc-Lube精密润滑油,切削长度为4000mm。
    表1 涂层硬质合金刀片的应用
    刀具种类涂层材料适用的加工材料
    T150MTi(C、N)+Al203灰口铸铁、球墨铸铁
    T250MTiC,Ti(C、N)+TiN碳钢、不锈钢
    F20MTi(C、N)+(Ti、Al)N+TiN不锈钢
    F40MTi(C、N)+(Ti、Al)N+TiN不锈钢
  4. 气雾润滑切削
    气雾润滑是采用一定的喷射冷却装置,将冷却液雾化为毫米级的气雾,不断喷射到刀具表面进行润滑的切削加工。其工作原理是把冷却液通过喷射装置与空气充分混合,并且,在高压下通过多孔喷射出内喷嘴形成冷却循环、外喷嘴形成气柱,对刀具进行冷却与润滑。该方法能节约大量的冷却液,其冷却液用量在50ml/h以下。在钢加工和孔深为5倍以上的孔加工中采用此办法效果很好。

2 干式切削加工的应用

在一般的切削加工中,由于切削力和金属变形将在切削区产生很高的切削热,必须用冷却润滑剂对刀其进行冷却。但是,如果采用上述技术措施,如,改进刀具材料与结构、改变冷却形式、及时排除切屑等,完全能实现干式切削加工。如美国Makino公司的“红月牙”干式加工技术,该技术采用高切削速度和大进给加工铸铁,使热量很快聚集在切削刀具前端,刀具前端形成红热状态,工件加工区域形成370℃左右的高温,此时,工件的屈服强度减小,从而使切削效率大大的增大在通常情况下,加工铸铁的切削速度为914~1219m/min、切除率16cm3/min而采用“红月牙”干式切削工艺切削速度将能达到1828~3048m/min,切除率达49cm3/min。与此同时由于工件的屈服强度、切削阻力减小提高了主轴入口的夹紧力,简化了复杂工件的加工过程。如,LeBlong公司在一台加工中心上仅用三种夹具就完成了V8缸体的全部加工,取代了26工位的传输线。

3 结束语

干式加工与湿式加工相比,不但提高了生产效率,降低了生产成本,而且有利于环保,是一种理想的,清洁的金属切削加工方法。我国的干式切削加工技术同国外相比还有较大的差距,随着干式切削加上技术在我国金属切削加工中的推广,尤其是在车削铣削中的广泛应用,必将提高我们的切削加工效率,降低生产成本、提高零件的切削加工质量。
本文作者:重庆工学院 曹建国 罗辑
原载:《机械》2004年第4期
上载于:2006-7-15 19:27:08

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