乾切削加工及其措施

摘要：<p> 乾切削加工及其措施 </p> <p> 切削液的使用必須符合環保要求，為此人們進行了大量的探索與研究，如開發新型切削液、加強切削液管理、采用切削廢液處理技術以及改進冷卻方法等，試圖減小使用切削液所帶來的不利影響，但都未能取得很滿意的效果。而要從根本上消除傳統切削液帶來的不利因素，乾切削(Dry Cutting)是一種可行的方法。本文結合當前國內外在乾切削加工技術方麵的經驗，分析了影響乾切削加工的因素，在此基礎上探討了實現乾切削加工的一些措施，*後簡要介紹了國內外對乾切削加工的研究與應用情況。<br /> 1、影響乾切削加工的因素：乾切削是指在切削加工中不使用切削液的工藝方法。它從源頭上消除了切削液帶來的一係列環境負麵效應，主要具有如下特點：(1)形成的切屑潔淨、無汙染、易於回收和處理；(2)省去了與切削液有關的供應、回收、過濾等有關裝置的購買及保養費用，以及與切屑、切削液處理有關的費用，既簡化了生產係統，又節約了生產成本；(3)不汙染環境，工廠無需承擔切削廢液汙染責任，也不會發生與切削液有關的**及質量事故。<br /> 然而在加工中若不使用切削液，會使切削狀態進一步惡化，即切削溫度升高，刀具/切屑及刀具/工件表麵之間的摩擦會進一步加劇，排屑不暢，刀具壽命降低，並使加工表麵質量變差。因此，要使乾切削加工能順利進行，就必須尋求技術上的解決方案，使其能彌補切削液的主要功能。這就要求仔細分析各種特定的邊界條件和影響乾切削加工的複雜因素(附圖)。<br /> 2、實現乾切削加工的措施研製適合乾切削加工的刀具材料開發適合乾切削加工的刀具材料是其成功應用的關鍵之一。在乾切削加工時，一般采用比普通加工要高的切削速度，這樣可以加速排屑及散熱，從而提高刀具壽命、增加刀具的抗熱性能。但在高速切削時，切削區會產生大量的熱量，切削用量越大，切削區的溫度也越高，傳統方法一般都要加冷卻液冷卻，然而采用新型刀具材料以及選擇合理的切削參數，既可承受切削過程中的高溫，進行高速切削，又可使產生的大部分熱量傳給切屑，即可進行乾切削加工。 <br /> 乾切削刀具材料要具有優良的熱性能，常用的有紅硬性較高和耐磨性較好的粘結硬質合金、塗層硬質合金、陶瓷、塗層HSS、金剛石及立方氮化硼(CBN)等。近年來，還在Al2O3基體中添加20%～30%的SiC晶須，形成了“晶須增韌陶瓷”。SiC晶須的作用猶如鋼筋混泥土中的鋼筋，它能成為阻擋或改變裂紋發展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高，是一種很有發展前途的乾切削刀具材料。<br /> 開發刀具塗層技術 <br /> 適宜的刀具塗層不僅可以增強刀具的抗熱性能，降低刀具/切屑及刀具/工件表麵之間的摩擦係數，減少刀具磨損，而且能降低切削力和切削溫度，提高刀具壽命，並能改善加工表麵質量。因此，開發刀具塗層技術也是實現乾切削加工的關鍵之一。 <br /> 目前，乾切削刀具塗層技術的主要發展趨勢：一是采用“軟”塗層，如德國Guhring公司開發的“MOVIC”軟塗層工藝，就是在刀具表麵塗覆一層固體潤滑劑-MoS2，這種塗層刀具表麵有潤滑功能，在加工時可減少切屑與刀具之間的摩擦，避免產生積屑瘤，提高刀具壽命。試驗表明，在含9%Si的鋁合金上進行乾攻絲加工，未塗層絲錐隻能加工20個孔，TiAlN塗層絲錐可加工1000個孔，而MOVIC塗層絲錐可加工4000個孔。二是采用軟/硬組合塗層，即先在刀具上塗上“硬”塗層(如TiN)，再在其上塗“軟”塗層(如MoS2)。如采用一種(Ti，Al)N+MoS2塗層的鑽頭乾鑽削灰鑄鐵發動機缸體上的深孔，刀具壽命高達1600min，而隻塗TiN或TiCN塗層的鑽頭，其壽命分彆為19.6min和44min。<br /> 優化刀具幾何形狀 <br /> 在乾切削加工中，刀具幾何形狀的優化非常重要。標準刀具不宜采用乾式切削，為此乾切削加工應選擇優化的刀具幾何形狀，以減少加工中刀具與切屑間的摩擦。刀具幾何形狀優化應做到：、減少刀具/工件表麵之間的接觸麵積，如鑽頭應減少倒錐和螺旋角；**、考慮刀具表麵的*大潤滑性，防止積屑瘤的產生。 <br /> 此外在乾切削加工時，細顆粒上等硬質合金刀具和金剛石刀具的切削刃口可作輕微的小鈍化，以其自身基體的強度來保持刃口的鋒利，達到降低切削溫度的目的。這不但可保持刀具的高性能，而且還可保持刀具的*佳使用壽命。 <br /> 采用MQL技術 <br /> 在無法完全實現乾切削的情形下，可采用“切削液*少量(Minimal Quantities of Lubricant，MQL)”技術來儘量減少切削液的使用量，MQL也稱為準乾切削(Near Dry Cutting)。這裡的“切削液*少量”是指供給切削過程很少量的切削液(當機床工作在*佳條件下時，切削液消耗量應在50mL/h以下，而采用正常射流冷卻時的切削液消耗量可能超過6L/min)。 <br /> MQL技術主要有氣霧外部潤滑和內部冷卻兩種方式：氣霧外部潤滑方式是將冷卻液送入噴射冷卻係統裡麵與氣體混合，在高壓下通過一個多頭噴嘴將霧化為毫微米級的氣霧不斷噴射到刀具表麵，對刀具進行冷卻和潤滑；氣霧內冷卻方式是直接將冷卻氣霧通過主軸和刀具送入切削區域，對其進行冷卻和潤滑。根據加工需要，可將內、外氣霧兩種冷卻潤滑方式配合使用，效果會更佳。 <br /> MQL技術*大的好處在於，如果使用恰當，刀具、工件和切屑可保持乾燥，這就避免了廢物處理的麻煩，所以把這種技術也稱為“乾切削”是有道理的。目前，MQL技術主要用於在鑄鐵、鋼和鋁合金上進行鑽孔、鉸孔和攻絲加工，以及深孔鑽削和鋁合金的端麵銑削等。<br /> 采用合理的加工方式 <br /> 乾切削加工由於不使用切削液，熱切屑容易滯留在切削區內，增加工件、刀具及機床的熱度。如果熱量過大還會引起工件硬化以及刀具變形，使工件表麵產生裂紋。因此，排屑就成為一個主要問題。但隨著加工技術的發展，采用合理的加工方式也可解決排屑問題。如將傳統的從上往下進行的鑽削方式，改由從下往上鑽削可利用重力排屑，也無須一定壓力的切削液來輔助排屑。此外，利用抽吸係統可將切削區內的潤滑氣霧、氣體和切屑吸淨；利用噴氣係統也可改善排屑條件。在有些無法完全排屑的情況下，也可采用自動、手動相結合的排屑方法。 </p> <p> 除了上述幾種方法之外，還可采用其它一些措施：如選用合理的切削參數；提高刀具的設計與製造能力，因為複雜的刀具幾何結構可解決封閉空間的排屑問題以及減小切削力；使用具有排屑快速、有效的新式機床，以及研製專門用於乾切削加工的機床等。<br /> 3、乾切削加工技術的應用：乾切削曾是一種有爭議的加工方法，但隨著刀具材料、塗層技術、刀具結構與工藝裝備的發展以及法律和市場的要求，美國、德國和日本等國家已進行了大量的研究並應用於實際生產，取得了明顯的經濟效益與社會效益。 </p> <p> 美國LeBLond Makino公司研究開發的“紅月牙”(Red Crescent)鑄鐵乾切削技術就是利用陶瓷或CBN刀具進行高速加工。由於切削速度和進給量很高，產生的熱量很快聚集在刀具前端，使該處的工件材料達到紅熱狀態，其屈服強度下降，可大大提高切削效率。通常鑄鐵的金屬切除率(車削)為16cm3/min，而采用紅月牙乾切削加工可使其提高到149cm3/min。該公司還發明了一種**工藝，可用硬質合金刀具在切削速度達305m/min時對淬火鋼(>50HRC)及鈦合金進行乾車削加工，切削熱由通過主軸的高壓冷卻氣體帶走，切削溫度可降至*低，每轉中刀具與工件接觸可限製在25%以內。 </p> <p> 日本Syun-ichi Yamagata研究開發了鋼材的乾式擠壓絲錐，與普通的濕式擠壓絲錐相比，可顯著提高絲錐壽命。如用普通擠壓絲錐加工冷卻軋鋼板上M4×0.7的通孔螺紋，加工約7,000個孔時，絲錐切削部分便產生磨損與粘結，使切削無法繼續進行；而采用乾式擠壓絲錐加工50,000個以上的孔也不會產生粘結和顯著的磨損，絲錐還可繼續使用。使用結果表明：乾式擠壓絲錐與普通擠壓絲錐相比，刀具壽命可提高幾倍或十倍。 </p> <p> 德國Guhring公司對發動機中的鋁製零件進行了高速乾鑽削加工研究，取得了顯著的經濟效益，並樹立了良好的企業環保形象。此外，德國、芬蘭、英國等對高速齒輪乾滾削、乾式鏜削等加工方式也進行了研究，並在生產中得到了應用，取得了良好的效果。 </p> <p> 目前我國的乾切削主要是傳統的鑄鐵銑削加工，而對其它切削加工的乾式加工方法的研究和應用還很小。 </p>