干切削加工及其措施

与检潮 干切削加工及其措施 马祖军 代 颖 (西南交通大学) 摘要 由于切削液具有良好的冷却和润滑特性，因此被广泛应用于切削加工。但是随着环境保护要求的日益 严格和废耢处理费用的不断增加 ，企业不得不采取措施 采减少切 剥液的使用量 而要彻底 消除使用切 削液所带来 的负面影响，一种可行的方法就是采用干切削加工技术。文章分析了影响干切削加工的因素以厦实现干切削加工 的措施 ，并列举了一些国内外的研究与应用实倒。 关键词 切削液 环境保护 绿 色制造工艺 切削液的使用必须符台环保要求，为此人们进行 了大量的探索与研究，如开发新型切削液、加强切削液 管理、采用切削废液处理技术以及改进冷却方法等．试 图减小使用切削液所带来的不利影响，但都未能取得 很满意的效果。而要从根本上消除传统切削液带来的 不利因素，干切削(Dry Cutting)是一种可行的方法。本 文结台当前国内外在干切削加工技术方面的经验，分 析了影响干切削加工的因素，在此基础上探讨了实现 干切削加工的一些措施 ，最后简要介绍了国内外对干 切削加工的研究与应用情况 l 影响干切削加工的因素 干切削是指在切削加工中不使用切削液的工艺方 法。它从源头上消除了切削液带来的一系列环境负面 效应，主要具有如下特点：(1)形成的切屑洁净、无污 染、易于回收和处理；(2)省去了与切削液有关的供应、 回收、过滤等有关装置的购买及保养费用，以及与切 屑、切削液处理有关的费用，既简化了生产系统，叉节 约 了生产成本 ；(3)不污染环境 ，工厂无需承担切削废 液污染责任．也不会发生与切削液有关的安全及质量 事故。 然而在加工中若不使用切削液，会使切削状态进 一 步恶化，即切削温度升高，刀具／切屑及刀具／工件表 面之问的摩擦会进一步加剧，排屑不畅，刀具寿命降 低，并使加工表面质量变差。因此，要使干切削加工能 顺利进行，就必须寻求技术上的解决，使其能弥补 切削液的主要功能。这就要求仔细分析各种特定的边 界条件和影响干切削加工的复杂因素(附图)。 2 实现干切削加工的措施 2．1 研制适合干切削加工的刀具 开发适合干切削加工的刀具材料是其成功应用的 关键之一。在干切削加工时，一般采用比普通加工要高 的切削速度，这样可以加速排屑及散热，从而提高刀具 寿命、增加刀具的抗热性能。但在高速切削时，切削区 会产生大量 的热量 ，切削用量越大，切削区的温度也越 高，传统方法一般都要加冷却液冷却，然而采用新型刀 具材料以及选择合理的切削参数，既可承受切削过程 中的高温，进行高速切削，叉可使产生的大部分热量传 给切屑，即可进行干切削加工。 干切削刀具材料要具有优 良的热性能，常用的有 红硬性较高和耐磨性较好的粘结硬质合金、涂层硬质 合金、陶瓷、涂层 HSS、金刚石及立方氮化硼(CBN)等。 近年来 ，还在Al O。基体中添加 20 ～3O 的SiC晶 须，形成了“晶须增韧陶瓷 。SiC晶须的作用犹如钢筋 混泥土中的钢筋，它能成为阻挡或改变裂纹发展方向 的障碍物，使刀具的韧性大幅度提高，是一种很有发展 《翻造技术与机床》2OO1年蛔I期 维普资讯 http://www.cqvip.com 工艺与检潮 前途的干切削刀具材料。 2．2 开发刀具涂屡技术 适宜的刀具涂层不仅可以增强刀具的抗热性能， 降低刀具／切屑及刀具／工件表面之间的摩擦系数，减 少刀具磨损，而且能降低切削力和切削温度，提高刀具 寿命，并能改善加工表面质量。因此，开发刀具涂层技 术也是实现干切削加工的关键之一。 目前，干切削刀具涂层技术的主要发展趋势：一是 采用 软”涂层，如德国 Guhring公司开发的“MOVIC” 软涂层工艺，就是在刀具表面涂覆一层固体润滑剂一 MoS ，这种涂层刀具表面有润滑功能，在加工时可减 少切屑与刀具之间的摩擦，避免产生积屑瘤，提高刀具 寿命。试验表明，在含 9 Si的铝合金上进行干攻丝加 工，未涂层丝锥其能加工 2O个孔．TiA1N涂层丝锥可 加工 1000个孔，而MOVIC涂层丝锥可加工 4000个 孔 ]。二是采用软／硬组合涂层，即先在刀具上涂上 “硬”涂层(如 TiN)，再在其上涂“软”涂层(如 MoS。)。 如采用一种(Ti，AI)N+MoS 涂层的钻头干钻削灰铸 铁发动机缸体上的深孔，刀具寿命高达 1 600min，而只 涂 TiN或 TiCN涂层的钻头，其寿命分别为 1 9．6min 和 44min。 2．3 优化刀具几何形状 在干切削加工中，刀具几何形状的优化非常重要。 标准刀具不宜采用干式切削，为此干切削加工应选择 优化的刀具几何形状，以减步加工中刀具与切屑间的 摩擦。刀具几何形状优化应做到：第一、减少刀具／工件 表面之间的接触面积，如钻头应减少倒锥和螺旋角；第 二、考虑刀具表面的最大润滑性，防止积屑瘤的产生。 此外在干切削加工时，细颗粒优质硬质合金刀具 和金刚石刀具的切削刃口可作轻微的小钝化，以其自 身基体的强度来保持刃口的锋利，达到降低切削温度 的目的。这不但可保持刀具的高性能，而且还可保持刀 具的最佳使用寿命 2 4 采用 MQL技术 在无法完全实现干切削的情形下，可采用“切削液 最少量(Minimal Quantities of Lubricant，MOL)”技 术来尽量减少切削渡的使用量，MQL也称为准干切 削(Near Dry Cutting) 这里的“切削液最少量”是指供 给切削过程很少量的切削液(当机床工作在最佳条件 下时，切削液消耗量应在 50mL／h以下，而采用正常射 流冷却时的切削液消耗量可能超过 6L／min)。 MOL技术主要有气雾外部润滑和内部冷却两种 方式 ：气雾外部润滑方式是将冷却液送人喷射冷却系 统里面与气体混合，在高压下通过一个多头喷嘴将雾 化为毫微米级的气雾不断喷射到刀具表面．对刀具进 行冷却和润滑；气雾内冷却方式是直接将冷却气雾通 过主轴和刀具送人切削区域，对其进行冷却和润滑。根 据加工需要，可将内、外气雾两种冷却润滑方式配合使 用，效果会更佳。 MQL技术最大的好处在于，如果使用恰当，刀 具、工件和切屑可保持干燥，这就避免了废物处理的麻 烦，所以把这种技术也称为“干切削”是有道理的 ]。目 前，MQL技术主要用于在铸铁、钢和铝合金上进行钻 孔、铰孔和攻丝加工，以及深孔钻削和铝合金的端面铣 削等。 2．s 采用台理的加工方式 干切削加工由于不使用切削液，热切屑容易滞留 在切削区内，增加工件、刀具及机床的热度。如果热量 过大还会引起工件硬化以及刀具变形，使工件表面产 生裂纹。因此，排屑就成为一个主要问。但随着加工 技术的发展，采用合理的加工方式也可解决排屑问题。 如将传统的从上往下进行的钻削方式，改由从下往上 钻削可利用重力排屑，也无须一定压力的切削渡来辅 助排屑。此外，利用抽吸系统可将切削区内的润滑气 雾、气体和切屑吸净；利用喷气系统也可改善排屑条 件。在有些无法完全排屑的情况下，也可采用自动、手 动相结合的排屑方法。 除了上述几种方法之外，还可采用其它一些措施{ 如选用合理的切削参数 ；提高刀具的设计与制造能力， 因为复杂的刀具几何结构可解决封闭空间的排屑问题 以及减小切削力{使用具有排屑快速、有效的新式机 床，以及研制专门用于干切削加工的机床等。 3 干切削加工技术的应用 干切削曾是一种有争议的加工方法，但随着刀具 材料、涂层技术、刀具结构与工艺装备的发展以及法律 和市场的要求，美国、德国和 日本等国家已进行了大量 的研究并应用于实际生产，取得了明显的经济效益与 社会效益 。 美国I eBLond Makino公司研究开发的。红月牙” (Red Crescent)铸铁干切削技术就是利用陶瓷或CBN 刀具进行高速加工n]。由于切削速度和进给量很高，产 生的热量很快聚集在刀具前端，使该处的工件材料达 到红热状态 ，其屈服强度下降，可大大提高切削效率。 《制造技术与机床》 2001年第 1期 维普资讯 http://www.cqvip.com 工艺与检曩I 气缸套的数控等离子束重熔淬火 崔洪芝 徐克宝 尹华跃 张 磊 (山东科技大学) 摘要 介绍了采用等离子束对内燃机气缸套进行熔凝淬火硬化处理．在气缸套内表面形成马氏体类的高硬 度组织，提高了气缸套的耐磨性和使用寿命。这一新型的实用技术在 内燃机行业有着广阔的应用前景。 关键词 等离子 气缸套 表面处理 气缸套是内燃机的核心部件，其主要的失效形式 是磨损。等离子束气缸套内壁硬化处理技术，是利用高 能量密度的等离子束对原先无法进行常规热处理的气 缸套内壁进行超快速的加热熔凝淬火，大幅度提高气 缸套内壁的耐磨性口 - 目前，国内的气缸套内壁大部 分未经任何处理．其使用性能并未达到理想的要求。因 此．许多单位都在进行提高气缸套寿命方面的研究工 作。较为出色的是激光气缸套内壁淬火技术，能显著提 高气缸套的使用寿命。但由于激光设备成本太高，且激 光处理前为了提高光的吸收率多需先对气缸套内壁进 行磷化处理，会造成环境污染，这些问题限制了激光技 术在气缸套行业的大规模应用。等高子束与激光束均 为高能量密度束 ，与激光束相比．等离子束不需真空系 统，发生装置简单，不需任何前处理。因此，等离子这一 高能热源比激光有更大的实用性。 l 工作原理 本技术采用的是常压下的低温等离子束，其工作 原理如图 1所示。等离子束以较大的冲击速度加热气 缸套内表面，使缸套内壁迅速升温至相变温度以上，然 通常铸铁的金属切除率(车削)为 16cm ／rain，而采用 红月牙干切削加工可使其提高到149cm ／min。该公司 还发明了一种专利工艺．可用硬质合金刀具在切削速 度达 30fro／rain时对淬火钢(>5OHRc)及钛合金进行 干车削加工，切削热由通过主轴的高压冷却气体带走， 切削温度可降至最低，每转中刀具与工件接触可限制 在 25 以内。 日本 Syun—iehi Yamagata研究开发了钢材的干 式挤压丝锥，与普通的湿式挤压丝锥相比，可显著提高 丝锥寿命 ]。如用普通挤压丝锥加工冷却轧钢板上 M4x 0．7的通孔螺纹．加工约 7000个孔时，丝锥切削 部分便产生磨损与粘结，使切削无法继续进行；而采用 干式挤压丝锥加工 50000个以上的孔也不会产生粘结 和显著的磨损．丝锥还可继续使用。使用结果表明；干 式挤压丝锥与普通挤压丝锥相比，刀具寿命可提高几 倍或十倍。 德国Guhring公司对发动机中的铝制零件进行了 高速干钻削加工研究 ，取得了显著的经济效益，并树立 了良好的企业环保形象： 。此外，德国、芬兰、英国等对 高速齿轮干滚削、干式镗削等加工方式也进行了研究， 并在生产中得到了应用．取得了良好的效果。 目前我国的干切削主要是传统的铸铁铣削加工． 而对其它切削加工的干式加工方法的研究和应用还很 小。 参 考 文 献 1 F M Kustas．L．L Feh~ehnbacher，R．Komanduri．Nanocoatings 0n Cutting Tools 0r Dry Machining． Annals of the CIRP，1997，46 (1)． 2 N．Na㈨t ki．Y．Yam一 ，S Tashima，H，Kuroki．A New Advanced Ceramic for Dry Machining．Annals 0f the C1RP，19 97-46(1) 3 Aronson R．B．Why Dry Machining7．Manufacturing Engineering、 1995，20(5) 4 剂志峰 ．干式螺纹加工工艺研究 ．机械科学与技术 ，1 998(6) 5 F K[ocke．G．Eisenblatter．Dr y Cutting Annals of the CIRP、1 997、 46(2) 第一作者：马祖军，成都市西南交通大学 340信 箱，邮鳊：6l003l (鳊辑 用富荣) (收修改稿日期：20o0—03—22) 国家 自然科学基金项 目(5967500)；1997年藏山末省科技进步一等奖I1998年莸国家发明四等婪。 《制造技术与机床》 2001年第1期 维普资讯 http://www.cqvip.com