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绿色加工工艺--干和准干切削

时间: 2011-07-02 00:03 来源: 作者: 李开佛 点击:
近十几年来,工业生产领域相应提出了绿色制造和清洁生产的概念。机械产品的制造过程是直接消耗资源和产生废弃物的主要环节,因此零件的绿色加工工艺愈来愈受到重视。所谓绿色加工工艺,就是要在满足加工质量、加工效率和加工成本要求的条件下,把对环境的负面影响减至最小和使资源(能源、物料)利用率达到最高的工艺。

切削加工迄今仍是机械零件最重要的加工工艺方法,目前切削加工工艺的绿色化主要集中在不使用。这是因为:使用切削液会耗费大量的切削液和电能,日本一年耗费的切削液就达8亿升,而使用切削液所耗费的能量大约占整个机械制造工厂能量的1/10;切削液和切屑的处理费用高,目前与切削液相关的费用已占零件加工成本的14-17%,若排出未经处理的切削液则会污染周围地区的生态环境;会直接污染车间环境和危害工人健康,切削液受热挥发易形成烟雾和产生异味,特别是极压添加剂所含硫、磷、氯等化学元素在切削过程中形成的物质会引致多种疾病。

然而,不使用切削液的干切削并不能简单实现,因为切削液起着三个重要作用:吸收和带走大量切削热,使传入和工件的切削热非常少;在刀具与工件以及刀具与切屑接触界面上形成润滑膜,既减少摩擦又抑制切屑粘连到刀具上;把切屑迅速冲走。最近十几年兴起的干切削技术,就是要在没有切削液的条件下创造与湿切削相同或近似的切削条件,这涉及刀具、机床、工件、加工方式与切削参数等多方面。

干切削加工的刀具与机床

干切削时刀具要承受比湿切削更高的温度,刀具与切屑和刀具与工件接触面上的摩擦系数也要尽可能的小,而且还要求刀具能够断屑和有利于排屑,这就需要从刀具材料、涂层以及刀具几何形状与结构等方面来一同解决。

细晶粒硬质合金特别是能承受较高切削温度的TiC (N)基硬质合金(又称金属陶瓷),可用于干切削。不过,金属陶瓷的耐冲击性差,故多用于精和半精加工,美国Kennametal公司涂有TiAIN的金属陶瓷刀片HT7,就是为干铣削合金钢和高合金钢而开发。合肥工业大学利用经TiN纳米粉体改性的金属陶瓷刀片进行干切削试验,效果较好。

PCD(聚晶金刚石)和CVD金刚石涂层刀片有很高的硬度和热导率,适合高速干切削各种有色金属和耐磨的高性能非金属材料,但不能加工黑色金属。PCBN(聚晶立方氮化硼)的硬度和耐磨性仅次于金刚石,有优良的红硬性、化学稳定性和低摩擦系数,是高速干切削HRC50以上淬硬钢和冷硬铸铁等黑色金属的理想刀具材料。

陶瓷具有硬度高、化学稳定性和抗粘结性好、摩擦系数低等优点,是相对廉价的干切削刀具材料,但其强度、韧性和抗冲击性能差,为此加入各种增韧补强相并改进其压制工艺。目前,用Si3N4基陶瓷刀片干切削灰铸铁,用Al2O3基陶瓷刀片干切削淬硬钢和冷硬铸铁。

涂层刀具是当今干和准干切削最常用的刀具,基体一般是韧性较好的硬质合金,在基体上涂上一层或多层TiN、TiCN、TiAIN之类的耐磨硬涂层,起耐热和隔热的热屏障作用。为减少切削过程中的摩擦与粘附,往往又在硬涂层之上再加MoS2、WC/C之类起润滑作用的软涂层,使其综合硬涂层硬度高、热稳定性好和软涂层摩擦系数低、自润滑性好的优点于一身。试验证明,涂层特别是兼有软硬涂层的刀具性能更好,如在合金钢材料上干钻盲孔(孔深为直径的4倍),无涂层的干钻1个孔就损坏了,涂有TiAIN硬涂层的钻头干钻85个孔才失效,涂有TiAIN加WC/C复合涂层的钻头则加工了108个孔。

干切削刀具多以月牙洼磨损为主要失效形式,所以多采用较大的前角以减少切屑与前面的接触面积。为弥补大前角对刃口强度的削弱,常配以加强刃甚至前面上带有加强筋。较大的正前角、锐利而强有力的切削刃有利于断屑,不过在加工韧性材料时,还需根据工件材料和切削用量设计断屑槽,总之干切削刀具的结构设计必须?重考虑断屑和排屑的问题。此外,为了加速刀具的冷却以降低切削温度,也可采用热管式刀具或液氮冷却刀具。

干切削不但对刀具要求很高,也对机床的排屑、防尘和热特性提出较高要求。干切削机床最好采用立式布局,至少床身应是倾斜的,理想的加工方式是工件在上、刀具在下,并在一些滑动导轨副上方设置可伸缩角形盖板,工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成,总的原则是尽可能依靠重力排屑。干切削易出现金属悬浮颗粒,故机床常加装真空吸尘装置和对关键部位进行密封。干切削机床的基础大件要采用热对称结构并尽量由热膨胀系数小的材料制成,必要时还应进一步采取热平衡和热补偿等措施。

干切削加工的工艺技术

干切削时切削区的温度明显高于湿切削,所以在不少情况下干切削加工比湿切削加工时的切削用量要小。不过,在高速切削条件下,95%的切削热将被切屑带走,切削力也可降低30%,所以高速切削也是干和准干切削的发展方向之一。当然,干和准干切削采用的切削用量还要根据具体加工条件进行优选。

在高速干切削方面,美国Makino公司提出“红月牙”(Red Crescent)干切工艺。其机理是由于切削速度很高,产生的热量聚集于刀具前部,使切削区附近工件材料达到红热状态,导致屈服强度明显下降,从而提高材料去除率。实现“红月牙”干切工艺的关键在刀具,目前主要采用PCBN和陶瓷等刀具来实现这种工艺,如用PCBN刀具干车削铸铁车盘时切速已达到1000m/min。

当然,选用什么刀具材料还要视工件材料而定。虽然上述PCBN很适合进行高速干切削,但主要是对高硬度黑色金属和表面热喷涂的硬质工件材料进行干切削,由于CBN与铁素体有亲和性,故不宜用于低硬度(HRC45以下)工件的加工。又如金刚石刀具的碳与铁元素有很强的化学亲和力,故不能用来加工黑色金属。

干切削的难易程度与加工方法和工件材料的组合密切相关。从实际情况看,车削、铣削、滚齿等加工应用干切削较多,因为这些加工方法切削刃外露,切屑能很快离开切削区。而封闭式的钻削、铰削等加工,干切削就相对困难一些,不过目前已有不少此类孔加工刀具出售,比如德国Titex公司可提供适用于干切削的特殊钻头Alpa22,其钻深与直径之比达到7-8。就工件材料而言,铸铁由于熔点高和热扩散系数小,最适合进行干切削,钢的干切削特别是高合金钢的干切削较困难,这方面曾进行大量试验研究并已取得重大进展。铝及铝合金虽然是难于进行干切削的材料,但通过采用MQL润滑的准干高速切削,在解决切屑与刀具粘连及铝件热变形方面获得突破,实际生产中已有加工铝合金零件的准干切削生产线在运行。对于难加工材料,则有使用辅助进行干切削的。

采用MQL润滑的准干切削

对于某些加工方式和工件材料组合,纯粹的干切削目前尚难于在实际生产中使用,故又产生了极微量润滑(Minimal Quantity Lubrication,MQL)技术。MQL是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并油雾化,然后一起喷向切削区,对刀具与切屑和刀具与工件的接触界面进行润滑,以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上,同时也冷却了切削区(油雾在切削区汽化也会吸收不少切削热)并有利于排屑,从而显著地改善切削加工条件。

MQL润滑使用对人健康无害的植物油或脂油,其用量又极少,一般每小时的用量只有十几到几十毫升,仅为传统湿切削加工切削液用量的几万分之一。加工后刀具、工件和切屑都保持干燥,切屑无需处理便可回收利用,因而这种使用MQL润滑的切削又被称为准干切削(Near-dry Cutting)。

MQL润滑的准干切削效果相当好,曾经有人使用涂有TiAIN+MoS2涂层的钻头,对铝合金材料工件钻孔,采用纯粹的干切削钻16孔后,切屑就粘连在钻头的容屑槽,使钻头不能继续使用,采用MQL润滑后,钻出320个合格孔后,钻头还没有明显的磨损和粘连。日本稻崎一郎等人曾用直径f10mm的硬质合金端,以60m/min的切削速度铣削碳钢,比较干切削、吹高压空气、湿切削(250L/h切削液)和准干切削(20mL/h切削油)四种加工方式的刀具磨损。尽管准干切削所使用的切削液不及湿切削的万分之一,但其铣刀后面的磨损不仅大大低于干切削,且与湿切削相近甚至略低。

采用MQL润滑的准干切削,除了需要油气混合装置和确定最佳切削油量外,还要解决一个关键技术问题,就是如何保证极微量的切削油顺利送入切削区。最简单的办法,当然是从外部将油气混合物喷向切削区,但这种外喷法有时并不很有效,比如加工较深的孔。更有效的办法是让油气混合物经过机床主轴和工具中间的通道喷向切削区,称为内喷法。内喷法按照切削油和压缩空气在进入机床主轴之前混合还是在进入之后混合,又进一步分为外部混合式和内部混合式。

机床制造商为适应市场需求,相继推出准干切削的机床,如德国Hueler Hille公司的500/630 T高速,就可提供进行准干切削的品种;日本丰田工机的小型高速加工中心Piccocenter,则是专门为准干切削小型铝合金零件设计的。上述两种准干切削机床,都是通过内喷法进行MQL润滑。内喷法的效果良好,但也存在不可忽视的缺点:使机床主轴和工具系统的结构变得复杂;当主轴转速过高时受离心力作用影响,切削油易附在主轴和工具的内孔壁不易达到切削区,目前情况主轴转速一般不宜超过20000-30000r/min。

在特殊气体氛围中进行干切削

试验表明,在某些特殊气体氛围中进行干切削加工,有利减少刀具磨损,从而发展成为干切削技术的另一分支。

在氮气氛围中进行干切削(吹氮加工)

氮气占空气的79%,吹氮加工使用的氮气可借助氮气生成装置除去空气中的氧、水份和CO2而获得,然后经由喷嘴吹向切削区。氮气是不燃性气体,如果切削加工在氮气氛围中进行自然不会起火,这对干切削加工具有易燃性的镁合金很有意义(湿切削加工拘即硎歉瞿烟)。更重要的是氮气氛围抑制刀具的氧化磨损,可保护刀具涂层和防止切屑粘连到刀具,能提高刀具的耐用度。日本人曾经作过吹氮加工和其它加工方式端铣碳钢的对比试验,发现吹氮加工的刀具磨损,特别是后刀面磨损比干切削(或者吹空气)加工时低得多。

干式静电冷却技术

这是原苏联在上世纪80年代发明的干切削技术,其基本原理是通过电离器将压缩空气离子化、臭氧化(所消耗的功率不超过25W),然后经由喷嘴送至切削区,在切削点周围形成特殊气体氛围。这样不仅降低切削区的温度,更重要的是能在刀具与切屑和刀具与工件接触面上形成起润滑作用的氧化薄膜,并使被加工表面呈压缩压力(可增加零件使用寿命)。俄罗斯罗士技术公司曾对此作大量试验,发现在多数情况下,采用干式静电冷却技术的刀具寿命与湿切削相当或超过,在少数情况下,也能达到湿切削时刀具寿命的0.8-0.9。据介绍,目前在俄罗斯的国防和汽车企业中,大约已有5,000台使用此项技术的机床。

冷风干切削

把除去水份的干燥空气经空气冷却器冷至-30℃,再经由尽可能靠近切削点的风嘴把冷风送至切削区,可使切削区的温度大大下降,同时引发被加工材料的低温脆性,使切削过程较为容易,并相应改善刀具磨损状况。由于冷风无润滑作用,一般需同时向切削点喷少量对人体无害的植物油。空气冷却装置耗能大和风嘴噪声大,是此项技术的缺点。日本丰田工机公司曾试验用冷风取代磨削液,但发现当磨除率较大时,工件的硬度有所降低,故目前只适合用于精、微磨削。

结语

干切削加工从根本上解决了切削液带来的弊端,不仅有利于保护环境和工人健康,而且可以降低加工成本,无疑是一种很有发展前途的绿色零件加工工艺。据资料报道,在欧洲的大批量机械加工中,目前大约有10%-15%的加工使用干或准干切削,而干切削技术的研究开发工作,近十余年已经成为制造工程和企业界人士关注的热点之一。无论在实际生产应用还是在研究开发方面,中国与国外都存在相当差距,需要采取措施加快发展步伐。应该看到,重视环保是时代潮流,本世纪在中国推行干和准干切削技术也是大势所趋。

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