高速干切削技术分析
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摘要:面向环境的绿色工艺设计是实现绿色制造的有效途径,是制造业可持续性发展的重要方向,保证企业的经济效益和社会效益最优化。在切削加工中大量使用切削液进行冷却润滑提高了加工成本并带来环境污染问题,消除这些与使用切削液有关的问题的合理措施是采用高速干切削方式。文章提出了干切削技术的新内涵,分析了高速干切削技术的绿色特征。重点分析了实现高速干切削的机床技术,刀具技术和工艺技术。

0 引言

在制造技术中,伴随着信息技术的发展,在加工工艺和加工方法上发展了许多新工艺、新技术。如高速切削加工(High Speed Machining,HSM,或Hish SpeedCutting,HSC)因具有高生产效率,减少切削力,提高加工精度和表面质量,降低生产成本且可加工高硬材料等诸多优点,已在航空、汽车、模具等制造业界广泛应用,并取得了显著的经济效益。在高速加工中,通常都大量使用切削液,发挥其润滑、冷却、排屑作用。但随着绿色制造、清洁制造等生产理念的成熟,人们越来越清醒地意识到切削液的大量使用所带来的负面影响:①零件的生产成本大幅度提高。有统计数据表明在零件加工总成本中,切削液费用约占16%,而刀具费用只占总成本的4%。②造成对环境的严重污染,破坏生态环境,不利于可持续发展战略的实施。③直接危害车间工人的身体健康。环境问题和资源问题是当前以至今后人类社会面临的主要问题,为实现可持续发展战略的目标,使制造企业取得经济效益与社会效益的协调优化,研究将高速切削加工和干切削技术有机结合起来的高速干切削技术(Hish Speed Dry cut—ting),实现绿色制造,对指导业界的生产具有十分重要的现实意义。

1 高速干切削技术的内涵

在所见论述干切削技术的文献中,干切削技术通常都是指不使用切削液来进行切削加工的技术方法,是相对传统的使用切削液加工(湿加工)方法而言的。笔者认为这只是狭义上的干切削技术,今天更应该从广义上来理解干切削技术:只要是在加工过程中不使用切削液或是使用微量切削液,加工出的工件和形成的切屑是干燥的、“干净”(清洁)的且能保证加工质量的方法就可归结为干切削技术范畴。如采用最小量润滑技术(Minimal Quantity Lubrication,MQL)法加工时,工件和切屑可保持干燥,过去的文献称之为“准干切削”(Near-Dry cutting),实际上从广义来说可认为其属于干切削范畴。所以高速干切削技术可表述为:高速干切削技术是使用高速切削加工方法,在切削过程中不使用切削液或是使用微量切削液,加工出的工件和形成的切屑是干燥的、“干净”(清洁)的高精度、高效率的先进加工技术。

2 高速干切削技术的绿色特性分析

对于零件加工过程,绿色制造的具体功能目标可用加工时间(T)、加工质量(Q)、生产成本(C)、资源消耗(R)、和环境影响(E)等”五个方面来描述,所以分析高速干切削技术的绿色特性也就可以从这几个方面人手。
高速加工切削速度比常规高出5~10倍,单位时间内材料切除率增加,切削加工时间减少,大幅度提高加工效率,降低加工成本;高速加工可以在同一台机床上,在一次装夹中完成零件所有的粗加工、半精加工和精加工,即所谓的“一次过”技术可大大降低零件加工的综合成本。
高速切削加工过程中,随切削速度的提高,切削力降低,使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率”,工作平稳震动小。能加工出非常精密、非常光洁的零件,零件经高速车、铣加工的表面质量常可达到磨削的水平,残留在工件表面的应力也很小。
由于高速干切削不用切削液或使用微量切削液,大幅降低了产品的制造成本,消除了切削液对工人健康的危害和对环境污染的问题;加工过程中形成的切屑是干燥和干净的,可方便的回收利用,节约了资源,与传统制造方法的切屑回收利用相比,回收成本大大降低。
从以上分析可以看出,高速干切削属于一种绿色切削工艺。

3 实现高速干切削的关键技术

要实现高速干切削技术,就要研究用相关的技术手段在加工过程中复现、替代切削液的润滑、冷却、排屑的功用,以消除因缺少切削液而产生的刀具与工件、切屑之间摩擦的增加以及由此引起的刀具寿命下降、工件加工质量变差等问题,从而顺利进行干切削加工,达到或超过湿加工时的加工质量、生产率,并提高刀具耐用度。这些可以从包括机床、刀具、工艺等在内的几个方面来实现。
  1. 高速干切削的机床技术
    实行高速干切削技术,从机床技术角度主要考虑:如何使切削热迅速散发;切屑和灰尘的快速排出;采用不同的工艺方法时辅助设备的安装等问题。
    1. 采用高速机床
      高速加工能使切削力降低30%左右,90%以上的切削热由切屑带走”,工件可基本保持室温状态,特别适合加工容易热变形的工件。并且激振频率远高于机床和工艺系统的固有频率,加工过程平稳,振动小,铣削和车削可达到磨削的质量水平。高速加工的这些优点可弥补干切削的一些不足,二者的有机结合可实现高效、优质、无污染的加工。这也正是高速干切削技术使用的初衷。
    2. 机床结构应有利于排屑,机床应有吸尘、排屑装置
      设计快速排屑结构和辅助排屑设施。实现快速排屑结构设计最可靠的方法之一就是改造机床结构,使切屑能利用自身重力自动、快速地排出。这种方法只需要在原机床结构的基础上进行改造,在机床工作间内预留出一定的排屑空间。去除工作间内容易滞留切屑的平台或沟槽。或直接把原来普通机床的主轴、
本文作者:合肥工业大学机械与汽车学院 潘培道 韩江
池州学院机电工程系 刘孝光 胡昌军

原载:《组合机床与自动化加工技术》2007年第4期
上载于:2009-7-8 8:53:00

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