一种重视环保的加工技术
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1997年12月,在日本京都召开了防止地球变暖的国际会议,会上通过了“京都议定书”,提出了有害气体的排放规定。议定书通过6年来,已得到世界许多国家的认同,俄罗斯也于2004年10月下旬正式批准该议定书。迄今,在生产技术领域已认真讨论过不少全球环境保护的相关问题。在机械加工过程中,为了降低环境污染程度,已把建立绿色工厂作为重要课题提上议事日程。在切削加工中,切削液的使用存在两方面的问题,即使用阶段和废液处理阶段均会产生二氧化碳等有害气体,从环保角度来看,危害性极大。因此,应尽可能控制切削液的使用和排放,为此,工业发达国家正在大力开发干式和半干式加工技术。这里重点介绍半干式加工技术。
半干式加工系统由硬件技术和软件技术两大部分组成,硬件技术包括:主轴及工作台等机械设备、半干式加工用的雾液喷供装置、尘雾回收装置、切屑处理装置及所采用的刀具等;软件技术包括:设定最佳加工条件及加工状态监控手段等,硬件技术和软件技术必须高度配合,融为一体。切削加工过程大力减少切削液的新技术,通常称作“微量切削液供给法”,即MQL(Minimal Quantity Lubrication)。目前,MQL正在制造业中大力推广。在实践过程中,有些问题亟待解决,有关的研究开发工作也正在加紧开展。本文拟就半干式加工技术的发展现状及存在的问题作一个概略的介绍。

图1 半干式加工的相关技术

图2 主轴转速与雾液喷出量的关系(采用原主轴送液结构)

图3 主轴转速与雾液喷出量的关系(采用非回转型主轴线路)

图4 雾液在高速回转主轴内的作用

图5 液滴直径与主轴内气流路线对液滴平均到达距离的影响(计算机模拟)

工件材料:S55C 所用刀具:硬质合金钻头(Ø5mm) 涂层:TiN 切削速度:200m/min 进给量:0.1mm/r 孔深:15mm
图6 加工孔数与后刀面磨损的关系

图7 曲轴油孔的半干式高速加工(EMG公司)

图8 富士精工和富士BC技研公司配合开发的MQL镗孔刀具(主要用户对象为汽车行业)

工件材料:A2017 切削速度:100m/min 进给量:0.1mm/r 孔深:15mm(L/D=3) 加工孔数:200
图9 铝材半干式加工的已加工表面粗糙度
半干式加工技术涉及到的加工技术如图1所示。

利用主轴供油孔的MQL装置

与切削液相比,雾液流动的运动量较小,因此,刀具或工件在高速回转时,附近发生的空气流动将会影响冷却雾液的流向,使其不能充分到达切削位置。这种现象在主轴转速超过10000r/min的高速切削、孔加工、切槽等加工中尤为明显。解决此问题最有效的手段,便是让冷却雾液经过回转主轴的内部,再通过钻头、立铣刀等回转工具的供油孔,直接送到切削部位。这种由主轴内孔供应冷却雾液的方式,在原有的湿式加工中也曾使用过,但过去供给的是液体,而现在供应的却是雾状液流,于是便出现了下述问题。图2所示为采用原有主轴供液方式的高速主轴供油孔送出雾液时主轴转速与雾液喷出量的关系。由图可知,主轴转速超过10000r/min时,刀具刃尖部喷出的雾液量便急剧下降。原因在于,当主轴高速回转时,受离心力的作用,液滴附着在主轴内的回转通道内壁上;当主轴转速达30000r/min这样的高速回转时,雾液几乎全从雾流中分离出来,从刀具油孔中喷出的几乎纯为空气。为了解决这个问题,研究人员采用了如下措施:(1)让压缩空气和切削液从不同的路线送出,通过主轴,让两者在主轴端部的刀柄附近混合,形成雾液;(2)将主轴内雾液通道改为非回转结构,藉以抑制离心力的作用。在主轴内配有特殊结构的非回转线路后,即便在高速回转条件下,也可获得非常稳定的雾液喷出量。

模拟雾液作用的供给装置

利用高速回转主轴输送雾液的供给性能,受雾液粒径、密度、主轴孔内回转路线的形状、尺寸等因素的制约。为了在设计阶段定量预测出上述各项参数,研究人员采用通常的流体解析软件来模拟雾液的作用。图4即为采用该软件(Star-CD)解析通过回转线路的作用实例之一。当主轴不回转时,雾液从主轴后端直接流向前端;当主轴高速回转时,在回转路线内便会产生旋转性流动,液滴受离心力影响,接触到路线侧壁,这将减少送到主轴前端的液滴数量,从而降低冷却润滑效果。图5为通过计算机模拟的不同直径液滴平均可到达的距离进行比较结果。液滴直径越小,越不易受离心力的影响,液滴随着回转路线的回转旋流,也更容易到达刀具的刃尖部位。但是,如果液滴直径过小,当它从刀具端部流出后,附着于刃尖或工件加工面的性能也就更差,这些微细液滴易于浮游在周边环境中,既污染环境,又减弱了冷却效果。考虑到各种因素,推荐液滴直径约2μm最为适用。这一数值与目前使用的雾液产生装置的标准水平大体一致。雾液供给装置在性能方面的要求是:产生具有最佳雾滴直径的雾液,利用必要的空气压力及适当的流量,能够稳定地将雾液输送到加工部位。

新型MQL方式的效果

  1. 润滑和冷却效果良好
    雾液通过主轴内孔,再由刀具供油孔直接流向加工部位,这种结构和半干式加工组合起来,可获得良好的润滑和冷却效果,而这是过去采用湿式加工无法达到的。图6所示为用钻头加工孔的的实例,试验采用干式、半干式、湿式三种方式加工,图中列出了各种加工方法产生的刀具后面磨损宽度比较。结果表明,采用主轴内孔供液的MQL加工,能有效抑制刀具磨损,其结果与湿式加工大体相同,而其环保效应则远远优于湿式加工。
  2. 可实现小直径深孔的高速加工
    最近,富士BC技研公司开发出一种新型雾液装置EBT系列,这是一种小直径深孔加工专用的外部混调内部送液装置(在机外调制成雾液,通过主轴内孔,再由刀具供油孔喷出)。EBT系列的雾液喷出量比2000年该公司开发的同类产品提高3倍以上。另外,在工具生产厂的配合下,他们在直径相同的钻头上,增大供油孔径,使喷出的雾液大幅度增加,据称雾液喷出量最多可增大7倍。这种装置与刀具的各种参数相配合进行切削试验,结果表明,刀具寿命提高2倍以上;将其用于立式加工进行试验时,无需增添加压装置即可进行小直径深孔加工。图7所示为曲轴油孔的半干式高速加工实例。
  3. 可用于难加工材料的切削加工
    Inconel是一种典型的难加工材料,在这种耐热合金工件上加工小孔尤其困难。过去大都采用湿式加工,效率低,污染重;现在采用半干式加工,效率成倍增长,污染也很轻微。如用6mm钻头在Inconel工件加工小孔,采用水溶性冷却液进行湿式加工(v=7~10m/min,f=0.04~0.05mm/r),加工长度最多可达30m左右,而采用MQL方式加工(v=15~20m/min,f=0.06~0.10mm/r),切削长度可达186m,约为湿式加工的6倍。由此可见,MQL方式用于难加工材料的切削加工是大有可为的。
  4. 汽车行业大量采用MQL加工技术
    汽车行业的铝合金零件数量非常多,过去采用湿式加工,污染非常严重,加工效率也不理想。现在,许多厂家正在考虑大量采用MQL技术进行加工,如马自达公司轿车的气缸体生产线,两年前就着手全面采用干式和半干式加工方式,目前,除个别工序外,均已采用MQL加工技术。丰田汽车公司在齿轮加工和各种孔加工中,已部分采用干式或MQL方式加工。图8是富士精工和富士BC技研公司配合开发的MQL镗孔刀具。

刀具涂层的效果

各类湿式加工均须在高压下供给大量切削液,而半干式加工则只需要极少量切削液和压缩空气,同时还应考虑与加工过程相关的其它因素,诸如刀具形状、材质的明显影响等。图9所示为硬质合金钻头和DLC涂层钻头在铝材上加工孔的结果,就已加工孔的表面粗糙度来看,DLC涂层钻头的效果要好得多。在铝材的半干式加工中,DLC涂层可有效抑制工件材料在刀具切削刃上的粘附现象,因此,DLC涂层可作为防止产生粘附现象的有效手段。此外,CVD涂层、PVD涂层、钛化物涂层等,在干式和半干式加工中,作为延长工具寿命的必要技术,也占有相当重要的地位。

刀具切削刃形状及螺旋槽形状

以空气作为介质的MQL加工,与采用高压冷却的湿式加工相比较,前者从加工部位往外排屑的性能较差,尤其是在钻头进行深孔加工时,如果所生成的切屑形状不理想或切屑不能从已加工孔内顺利排出,将在短时间内使刀具产生破损。因此,必须重视切削刃形状、螺旋槽形状和摩擦力等因素,它们是保证顺利排屑的重要条件。

供油孔形状及喷出口的位置

使用带供油孔的钻头、立铣刀、丝锥等刀具进行半干式高速加工时,供油孔的尺寸和位置对加工性能有着直接的影响。一般的供油孔均设置在刀具端部附近,由于半干式加工形态的特点,雾液往往不能充分送至加工部位。例如,用丝锥加工通孔时,如果雾液从丝锥端部喷出,则雾液便会从通孔出口处流走,冷却润滑效果较差;如果雾液从刀具侧面喷出,冷却润滑效果将更加显著。另外,还可在工具系统的弹簧夹头处设计出适当的间隙,从该处将雾液喷射至刀具整个侧面,冷却润滑效果将更为理想。总之,在半干式加工中,工具厂家应加紧开发出带有适宜的供油孔形状和喷出口位置的刀具制品,以便充分发挥半干式加工的良好效果。

雾液回收装置

MQL加工由于能将雾液喷射装置所构成的系统发挥出最佳效果,因此可获得与湿式加工同样的加工性能。尽管它能用雾液来取代大量的切削液,但在这种半干式加工过程中,还存在尚待解决的问题
问题之一是雾液的飘浮将污染工厂环境。虽然半干式加工所用切削液是以对人体影响较小的植物油为基础的混合液体,而且使用量也很少,但操作者长期吸入决非良策。另外,飘浮的雾液粘附在机床上,容易造成滑溜或倾倒等危害。从机床方面来看,在设计阶段就应特别重视罩盖的高密封性能,应预留安装雾液回收装置的位置等。在通常情况下,为了提高雾液回收率,应提高回收装置过滤器的精密程度和增大吸收量。另外,在开发这类产品时,应避免由于装置大型化而带来电力消耗的增加。目前,广大用户迫切希望开发出高性能、高效率、结构紧凑的半干式加工专用雾液回收装置。

切屑回收装置

半干式加工的重要课题之一,是提高排屑性能。飞散于工件或机床内的切屑,随着雾液的溅射,极易粘附在操作者的双手上,要清除这些细小的尘屑并不是一件容易的事情。因此,采用半干式加工工艺时,为了排屑顺畅,有时不得不增加一个喷射高压冷却液的工序。尽管目前已开发出在加工位置附近安装吸入切屑的装置,但随着加工形态的变化,该装置的效果并不理想。因此,今后应大力开发易于排屑的机床结构及夹具,设计出能够适应各种加工条件的切屑回收方式,开发出低粘稠性切削液等。
本文作者:王文光(编译)
原载:《工具展望》2005年第3期
上载于:2007-4-22 5:01:14

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