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干式加工--未来金属切削加工发展趋势之一

时间: 2011-07-10 08:08 来源: 作者: 点击:

干式加工是未来金属切削加工发展趋势之一。近年来,特别是工业发达国家,非常重视干式切削,为了贯彻环境保护政策,更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。切削液在加工中对降低切削温度起了很好的作用。也有利于断屑和排屑,但同时也存在一些问题,冷却液的使用、存储、保洁和处理等都十分繁琐,且成本很高。
切削液对环境和操作者身体健康的危害一直受到使用限制。切削液的处理是不经济的,引起了费用增加,这些费用常常被低估,因为它们包含在间接费用之中。据美国企业的统计,在集中冷却加工系统中,切削液占总成本的14% ~16%,刀具成本只占2%~4%。据测算,如果20%的切削加工采用干式加工,总的制造成本可降低1.6%。因此,未来加工的方向是采用尽量少的切削液,耐高温切削材料和涂层使得干加工在机械制造领域变为可能。

干式加工刀具设计

刀具设计时总是考虑几何形状、刀具材料和涂层之间的相互兼顾,不可能只通过选择合适的刀具材料来用于干加工;或者只用涂层方法使传统的刀具变成干加工刀具。 传统切削加工时,各种加工方式对刀具设计提出不同要求。干加工刀具必须具备下列条件:耐热性、耐磨性的刀具材料,切屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小,刀具形状保证排屑流畅,易于散热,高的强度和冲击韧性。
因此,干式加工刀具设计必须考虑如下3个方面:
  1. 几何形状。热效应是干加工的基本问题。刀具设计时要考虑使得刚开始加工产生热的可能性要小,因此必须切削力小,摩擦小。深孔加工刀具附加问题是很难将切屑排出,因此刀具设计必须保证有好的切屑排出效应。在很小的加工力情况下,设计原则为,大前角和大圆度切削角。
  2. 刀具材料。干加工时切削材料最重要的是耐高温性。如果必须用大的前角的话,高硬度也是必须的。目前适用于干式加工的刀具材料有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷等。
  3. 涂层。现今,切削加工可以不采用切削液的原因之一是涂层,它通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低温度冲击。因此刀具材料可通过涂层处理,实现“固体润滑”来减少摩擦和粘接,刀具吸收的热量较少,能承受较高的切削温度,涂层在干式加工中有几种功能:将刀具和切削材料隔离,减少摩擦、隔热。
    干加工刀具通常总是涂层,在刀具性能方面起着重要作用。TiAlN涂层有很好耐热性能和高温性能,它与TiN,TiCN相比,由于添加了Al,从而使刀具的抗氧化性能得到极大改善,非常适用于高速加工和干加工。它的性能在高温连续切削时,优于TiC约四倍。

干式加工的冷却和润滑

干式加工时如果采用喷雾进行冷却,那么采用切削液加工时的负面影响此时就没有了。也就是意味着,刀具和工件不用长时间冷却,切屑和刀具之间的分离时间较短,而排屑显得比较困难。解决这些不利因素的方法,可以通过上面所说的刀具设计和涂层技术来补救。尽管能有所改善,但有时还是不够的,还须增加使用冷却和润滑。干式加工中加入冷却或润滑也称为准干式加工。实际应用的情况有:压缩空气或冷风进行冷却,车削采用-20℃冷风;磨削冷却方式用-30℃冷风及少量润滑油;喷雾润滑,用于钻削。

干式加工的应用

干式加工意味着可以在钻削、车削和镗削过程中不用切削液。这可以大大节约成本和保护环境。目前,欧洲和日本非常重视干式加工的研究,一般来讲,减少切削液的使用可以节省10%到15%的加工成本。欧洲的工业界已经逐渐意识到了干式加工的优势,在大批量生产中,约有10%到15%的加工已经采用了干式加工。
  1. 钻削。(1)钻头。为了能进行干式加工,只采用热稳定性好的材料和优化的刀具几何形状是不能达到目的的。还需要隔热好的硬涂层,TiAlN与TiN或TiCN相比较而言,是最好的隔热涂层。钻头的材料一般采用细颗粒硬质合金,在一些小直径情况下,可用HSS-CO。(2)深孔钻。
  2. 铣削。(1)超细颗粒硬质合金。一般为了实现干式加工,主要在涂层方面进行开发研究。Sandvik公司已经为干式加工专门设计了多种刀片,其中典型的是带有较厚氧化铝涂层的刀片。(2)陶瓷、CBN、PCD。
  3. 镗削。在缸体的缸孔粗加工中,为了提高加工效率,采用氮化硅陶瓷刀片进行干加工。

 

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