干切削加工中工艺系统的合理选择与应用

CHNLOONG

干切削加工中工艺系统的合理选择与应用 一、前言 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。众所周知，环境和资源问题是当今和未来人类社会实现可持续发展需要解决的问题。随着高速加工技术的迅猛发展，加工过程中使用的切削液用量越来越大，虽然切削液有利于降低切削温度、延长刀具寿命、提高断屑和排屑能力，但若将未经处理的切削液直接排入江河湖海，就会破坏生态环境。此外，由于切削液的润滑剂中含有大量亚硝胺、多环芳香烃和细菌分解产物，直接接触将导致多种皮肤病、眼疾、呼吸系统疾病等，直接影响到操作者的身体健康。另据美国企业对加工成本的统计，在零件加工总成本中，切削液费用约占16%，而刀具的费用只占总成本的4%。近年来，世界各国为了贯彻环保政策、降低加工成本，大力研发及推广应用干式切削加工技术。到2003年德国制造业将有20%以上采用干切削技术，据测算：它的总制造成本就可降低1.6%以上，干切削技术已成为金属切削加工的重要发展方向。 5 j7 i2 h0 e  z: G二、合理设计或选择配置机床 " J# z% p# h. `2 W& y& H+ v0 q% C" ?由于干切削没有切削液，因此切削过程中会产生比湿切削更多的热量，而这些热量主要集中在切屑中，如不及时地从机床的主体结构中排出，就会使机床产生严重的热变形，影响工件的加工精度和机床工作的可靠性。其次，在干切削石墨电极等材料时会产生大量粉尘，如不能及时清除，会对操作工人的身体健康造成严重损害，同时细微颗粒也会侵入丝杠、轴承等关键部件，加大机床的磨损以及影响机床的加工精度和可靠性。另外，由于没有切削液的润滑，干切削中的切削阻力会大大增加，相应的振动会增加。 # T3 ~4 O  V* v9 _2 w  l干切削机床是从湿切削机床发展而来，抛弃了湿切削机床污染环境的缺点，必然导致了其整体结构及布局的变化。设计或选择配制干切削机床就不得不考虑以下特殊问题：切削热的迅速散发；切屑和灰尘的快速排出。一般应尽可能采用超高速机床，这种机床95%以上的切削热会被切屑带走，并可降低约30%左右的切削力，工件可基本保持在室温状态下进行加工。为了做到这一点，可以改进机床的结构，在机床总体布局上，采用工件垂直倒置、刀具从下往上切削的新型立式布局或工件主轴卧式布局，并在机床立柱的垂直面与工件装夹位置之间留出足够的空间，以便切屑靠重力快速排除而远离切削区。同时，将高速、大容量切屑传送装置安装在切削区的最低位置，保证将全部切屑快速排出机床，如沈阳机床公司的CKZ5125高速数控立式车床就是采用这种新型立式布局。或者考虑将床身设计成大角度斜坡，以利切屑顺利流出。床身内部循环冷却，以利于维持热平衡。为使炽热切屑的热量不传给机床部件，排屑槽用绝热材料制造，机床部件采用专用的封闭系统冷却等。 主轴组件是机床的一个主要组成部分，它包括主轴、轴承以及安装在主轴上的传动件。机床工作时，主轴要夹持着工件或刀具共同完成表面成形运动，其工作性能对加工质量和生产率有重要的影响。因此，要求主轴组件旋转精度和静刚度高、抗振性好、热稳定性好、耐磨性好。采用高精度主轴轴承、混合陶瓷轴承、静压或动压轴承；角接触轴承采用配对的背靠背组合方式减少传统设计中的弯矩和提高刚度。采用油雾润滑装置以及主轴恒温的水冷装置，以保持主轴组件的热稳定性；采用二支承主轴组件，以提高刚性等。除此之外，机床结构应有利于吸尘，在保证主轴、导轨等精密运动部件有良好的密封情况下，最好能采用真空吸尘装置将悬浮颗粒及烟气排出。若考虑到导轨防护盖板和机床结构，斜角朝上的方法或许是更有效。 三、干切削加工中的刀具技术 # a( {* c3 d! E" T2 z6 C干切削加工是在没有切削液的条件下创造具有与湿切相同或基本相近的切削条件。因此,刀具是否能承受干切削时巨大的切削热是实现干切削的主要问题。一般可采取的措施有： # j8 X+ P  P4 Z' I! A/ y（1）选择适合干切削加工的新型刀具材料 刀具在切削加工过程中，要承受很大的压力，同时，由于切削时产生的金属塑性变形以及在无切削液的情况下刀具、切屑、工件相互接触表面间将产生更强烈的摩擦，使刀具切削刃上产生极高的温度和受到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损，因此干式切削刀具材料应具备更高的耐热性和热韧性，良好的耐热冲击性、抗粘结性及高的耐磨性。常用的有高韧性和高硬度兼备的纳米级细颗粒硬质合金，耐热性和高耐磨性好的粘结硬质合金，涂层硬质合金，陶瓷及金属陶瓷，立方氮化硼（CBN），聚晶金刚石（PCD）等。近年来，还在AL2O3基体中添加20%-30%的SiC晶须，它能阻挡或改变裂纹发展方向，使刀具的韧性大幅度提高，是一种极具发展潜力的干式切削加工用刀具材料。 （2）采用涂层技术 . ^2 e( X! Y# P9 v对刀具表面进行涂层处理实际上类似于冷却液的功能，它可产生隔热层，使热不会或很少传入刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的锋利和坚硬。一般应采用多层涂层，以达到最佳的热防护，在常规涂层中TiALN是干式加工中改善热绝缘的首选涂层，但是常规采用的单层TiALN涂层的附着性差，不具备最优性能，在干式加工的动应力下，单层TiALN有产生裂纹破碎的倾向，会从刀具上剥落。多层TiALN涂层，其组织可抑制表面层从刀具基体面上碎裂，对改进性能非常有效。德国Guhring公司的Firex多层硬涂层由不同的TiN和TiALN的超薄涂层交替构成，可得到很好的结果。 目前，滑性“软”涂层的研究和使用是干切削刀具涂层技术的另一主要发展趋势。第一，采用新的沉积技术将硬质合金、钢甚至铝作为涂层来降低摩擦系数。第二，采用“超软”涂层，如德国的Guhring公司开发的“Movic”软涂层工艺，它实质上是固体润滑剂（MoS2）和刀具相结合后在刀具表面形成了良好的滑动表面，因此具有较好的润滑功能，在切削加工中可使切屑与刀具排屑槽之间产生的摩擦最小（一般只有0.01左右）。可有效避免积屑瘤的产生并能减小切削力和降低切削温度，提高刀具耐用度。试验表明：无涂层丝锥只能加工20个螺孔；采用TiALN涂层的丝锥可加工1000个螺孔；用MoS2涂层后可加工4000个螺孔。第三，采用软/硬组合涂层，即先在刀具上涂上“硬”涂层（如TiN）后再在其上涂上“软”涂层（如MoS2），采用这种组合涂层的钻头在钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔时，刀具寿命高达1600min，而硬涂层钻头，如TiN和TiCN涂层的钻头寿命只有19.6min 和44min 。另一种很有前途的涂层新工艺叫等离子注入，它是用“射入”金属离子的办法有效地形成点阵结构，并可深入刀具基体内部，这种方法能提高刀具硬度但不会改变其尺寸，这一点对精细刀具的干式切削尤为重要。 2 @% x- c. j# p5 c（3）合理选择和刃磨刀具几何的形状 干切削加工中，由于缺少了切削液的润滑和冷却的主要作用，因此，有效散热是实现干切削要解决的主要问题。此外，干式切削使刀具切削刃承受着很大的机械应力和热应力，为增加切削刃强度在刃磨时一般宜采用油石珩磨，这可避免在干式加工的应力作用下刀具可能出现的裂纹，磨损及崩刃。但对于刀具基体能产生较锋利的切削刃的刀具，如：超细晶粒硬质合金及金刚石刀具只应少量珩磨。 ; h6 s" J  `/ `: M4 j7 S3 ^四、合理选择工件材料 : g1 G% D; q: Q! r( i/ u8 M对于大多数铸铁、碳钢和合金钢等材料的切削加工由于热传导性好,允许切屑带走产生的大部分热量，如车削加工中，切屑约带走50-80%的切削热，所以切削相对容易,切削液通常情况下是多余的。但这些材料中低碳钢就是一个例外,通常当含碳量下降时,它的粘性会愈大。这类合金就需要切削液来润滑以防止熔焊。对于所有种类的高温合金材料来说,几乎不能选择干切削，尤其是切削镍基和铬基高温合金时,产生极高的温度,需要切削液来带走热量。同时,切削液的润滑能力还能保持产生的热量最小。不同工件材料的热学特性差别较大。干切削要求工件有较大的热容量和较低的热导率,因此大质量的零件比小零件更适宜于干切削。铸铁和复合材料最适合于干切削,而超硬合金和钢则较难于进行干切削。所以在其他工艺条件都满足的前提条件下应尽可能选择适合于干切削加工的工件材料。 4 U7 k  b0 m3 ~2 Z干式切削技术是一项系统工程，并不是简单地停止使用切削液就能实现的，而必须从刀具、机床和工件等各方面采取一系列合理、有效的措施，才能得以顺利实施。另外，干切削对人身健康与安全无害, 并可以节约资源、降低成本、提高生产率,是金属切削加工的主要发展方向之一。

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