干切削加工技术的发展及应用

· 44 · 铝 镁 通 讯 2004年No2 干切削加工技术的发展及应用 张德强 (中国铝业郑州研究院，河南 郑州 450041) 摘 耍：并决切削液带来的环境及经济效应的根本就是干切削加工技术。本文论述了干切削加工的特点、实施可 靠性。并垮出了某些应用实饲。 关t词：清洁生产；切 削加工；切 削液；环境保护 1 概 述 环境保护是人类生存的需要 ，是生产持续发展 的需要 ，也是高质量生产的需要。工业生产对环境 的污染和破坏主要体现在四个方面：1、生产过程对 环境的污染；2、生产产品的运行过程对环境造成 的 污染 ；3、废弃物对环境的污染 ；4、对能源原材料及其 它资源的不合理消耗。消除或减少工业生产对环境 污染的根本出路在于清洁制造工艺技术 。为此必须 仔细生产过程 的每一要素 ，改进传统工艺或开 发新型替代工艺。 切削液通常是大多数加工中不可缺少的生产要 素之一，对保证加工精度、提高表面质量和生产效率 具有重要作用。但随着人们环境意识的增强及环保 法律法规的要求越来越严格 ，切削液的负面效应愈 加明显，主要表现在： (1)加工过程 中产生的高温使切削液形成雾状 挥发 ，污染环境并威胁操作者健康 。 (2)某些切削液及粘带该切削液的切屑必须作 为有毒有害材料处理，处理费用相当高。 (3)切削液的渗漏、溢出影响安全生产。 (4)切削液的添加剂(如硫、氧等)会给操作者健 康造成危害并影响加工质量。 切削过程的有关研究表明：切削液传统的冷却、 润滑、排屑等作用在加工过程中得汪以充分有效的 发挥。因此，人们试 图不用或少用切削液来改变这 种状况 ，适应清洁生产工艺及减少生产成本的要求。 干切削加工技术就是这样一种方法，它可较好地解 决生存环境 、技术与经济之间的协调与持续发展。 2 干切 削及 实施 可能行 2．1 干切削及其特点 干切削就是在加工过程中不用任何切削液的工 艺方法。由于不用切削液，因而干切削可以完全消 除切削液带来的一系列负面效应。干切削具有以下 特点： (1)形成的切屑干净清洁无污染，易于回收和处 理 。 (2)省去与切削液有关的传输 、回收、过滤等装 置及费用，简化了生产及处理 系统 ，节约 了生产成 本。 (3)不产生污染环境 ，也不产生与切削液有关的 安全及质量事故。 2．2 干切削加工的实施可能性 干切削虽然具有上述诸多优点 ，但 由于没有切 削液，加工中的冷却、润滑及排屑失去依靠，加工热 量就会增加，导致刀具寿命变短 ，降低 了生产效率， 并使加工表面质量变差。如何克服这些不利 因素? 当前，切削技术、刀具材料及刀具设计技术的发展 ， 使干切削的实施成为可能。 (1)刀具材料的发展可使刀具(片)承受更高的 切削温度，因而减少 了对冷却的要求。采用新型刀 具材料(新型硬质合金、陶瓷、涂层刀具材料等)及合 理的进给量和切削速度 ，既可承受切削过程中的高 温，进行高速切削，又可使产生的大部分热量传给切 屑。 干切削刀具材料要有优良的热硬度。常用的有 特殊硬质合金、涂层材料及某些陶瓷刀具材料。如 用于干铰削的铰刀要求有锋利的刀刃 ，以保证加工 精度及表面粗糙度要求 ，选用超细晶粒硬质合金(如 DK4600F：含 Co5％～10％；晶粒尺寸 0．3 m；韧性 比普通硬质合金高 60％～70％)，可满足锋利性要 求，但由于月牙洼磨损 ，刀具寿命很短 ；而采用金属 陶瓷铰刀，则可满足加工质量要求 ，刀具又有较长的 寿命 ，可进行满意的干铰削。此外 ，用 HSS钻头加 工铸铁 ，刀具寿命和生产效率均受 限制 ，而对 HSS 刀具进行 TiAIN涂层与 2O3涂层 相结合 的组合 涂层，则用于铸铁干钻削，性能比HSS钻优越得多。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2004年№2 铝 镁 通 讯 ·45 · 除了刀具材料外 ，还必须选用合理的切削参数。 在某些应用场合，利用激冷的气体及旋风喷雾器也 可降低发削温度。 (2)涂层技术可减少刀具——工件表面之间的 磨擦 ，减少切削力，降低对切削液润滑作用的依赖。 目前 ，所用刀具 中的 40％是涂层刀具 ，而且这 种趋势还在不断增长。为 了优化各种加工方法 ，新 涂层也在不断地出现。1995年在意大利米兰召开 的 EMO会议上 ，德 国 Guhring公司介绍 了两种涂 层 ，它们可减少钻削、铰削 、攻丝及铣削加工中的磨 擦。这些涂层有些像特氟隆(Teflon)，与刀具基体 表面粘结性能优 良，且形成的涂层表面光滑、磨擦系 数小 。其 中第 一 种 涂 层 基 于 二 硫 化 铝，被 称 为 MOVIC的软涂层。在 9％的硅铝合金工件上攻丝 时 ，非涂层丝锥 (基体为含钴 10％的超细晶粒硬质 合金)可加工 20个孔：TIAIN涂层丝锥可加工 1000 个孔 ，而 MOVIC涂层丝锥可加 14000个孔。另一 种涂层是组合涂层，即将 MOVIC软涂层涂覆在某 种硬涂层之上 ，这种涂层也在钻削钢及 9％硅铝合 金中得到了成功应用。这种涂层的钻头，软的、润滑 性良好的涂层涂覆在排屑部位 ，而要求有一定硬度 的刀尖部位则被涂一层硬涂层 。 涂层可以代替切削液 的润滑作用 ，还可降低切 削力 ，如加工 76％的镍基合金时，各种情况下涂层 刀具的进给力都较小。新型涂层 ，如金刚石也可减 少刀具／I件界面的磨擦。由此可见 ，涂层技术是干 切削成功应用的最关键的技术。 (3)合理加工方式与刀具及设计及制造能力 的 提高使切屑排出容易 ，减少了依赖切削液排屑的作 用 。 有关研究表 明：切削液 的润滑作用只有 10％， 其余主要作用是排屑。对于干切削 ，排屑就成为一 个主要问题。采用合理的加工方式及刀具设计；制 造能力的提高 ，排屑问题也已逐步解决。以下是几 种成功用于干切削的排屑方法。 a借 助重力排屑。通常钻 削都 是从上往下进 行 ，切屑从孔中向上排出。但如果将工作倒过来安 装 ，从下向上钻削 ，则将产生完全不同的效果。在重 力的作用下 ，切屑就会顺利从孔中排出，也无需用一 定压力的切削液来辅助排屑。 此外 ，可将工件倾斜 45。安装 ，机床主轴也相应 倾斜 45。，从下往上钻削 ，此时不能实现完全干钻 削，但需要切削液的量可达最少，其处理费用也比普 通钻削少得多，这种方式可称为准干钻削。 b利用虹吸现象将切屑从孔 中吸出，虹吸是利 用干燥的空气吸出切屑 ，也无需切削液。 c利用真空或喷气系统也可改善排屑条件，实 现于切削加工。 d由于先进制造设备的使用，复杂刀具的设计 及制造能力有了较大改善 ，复杂 的刀具几何结构可 以解决封闭空间的排屑问题 ，同时还可降低切削力。 3 干切 削加 工技 术的应用 3．1 铸铁的干切削 铸铁加工通常都不用切削液，是最典型的干切 削加工方式。目前的研究主题是如何提高其加工效 率。美国研究开发的“红月牙 ”(RedCrexcent)铸铁 干切削技术就是利用陶瓷刀具进行高速加工。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 ，使这一部分材料达到红热状态 ，其屈服强度 下降，可大大提高切削效率。通常 ，铸铁的金属切除 率(车削)为 16cm3／min，而采用“红月牙”干切削加 工 ，可使其提高为 149cm3／min。 3．2 铝的干切削 铝材的应用量在不断增加 ，特别是在汽车行业 更是如此 。铝的高效干切削加工就成为必须解决的 问题。美国 Turchan公司研制了一种用于开 口零件 平面铣削的机床，并配有获得专利的真空系统 ，排屑 非常 流 畅。Bin Three公 司 安 装 了 8 台 高 速 (1500m／min)金 刚石干切削加工系统，用 以加工变 速箱上的铝通道盘，加工精度为 0．05mm，每小时加 工 600件 ，与以前采用的磨削加工方法相比，每年可 节约经费 300万美元。 金刚石刀具是有色金属干切 削成功应用 的关 键。美国 QQC公司开发 了一种可使金刚石与基体 材料之间得到真正冶金结合的扩散工艺，其优点是 导热系数大 ，热扩散快 ，与铝不亲合 ，对成型刀具可 进行涂覆。 3．3 其它材料干切削 美国的 LeBlond发明了一种专利工艺，利用这 种工艺在切削速度高达 305m／min时，可用硬质合 具对淬硬钢(>50HRC)及钛合金进行干车削加工。 加工中产生的热量可由通过主轴的高压气体冷却 ， 可将切削温度降至最低 ，每转中可将刀具与工件的 接触限制在 25％。 4 准干切 削 干切削的应用范围 目前还 比较有限，而完全 的 湿式加工又有诸多不足，若将两者相互结合，既可满 足加工要求 ， 《下转第 36页) 维普资讯 http://www.cqvip.com · 36 · 铝 镁 通 讯 2004年NQ2 5 控制 系统功能 为实现炭素焙烧炉生产 出合格的阳极炭块 ，需 要对焙烧炉的预热区和焙烧区的各料箱、火道的温 度和火道的负压进行有效控制，料箱中阳极炭块按 工艺要求的升温曲线和负压范围进行预热、焙烧、冷 却 ，同时实现焙烧过程中参数 的记录、存储 、管理及 优化控制。 系统实现以下功能 ： 5．I 冷却区 冷却区由 1个安装有手动调整空气流量的冷却 架 (CR)、1个安装有 自动调整空气 流量 的鼓 风架 (BR)和 1个 用 于测 量 零 点 压 力 的零 压 测 量架 (ZPR)组成。鼓风架旁有一组鼓风操作站来完成鼓 风架的管理与控制，它是鼓风架的控制核心。操作 站由西门子 PLC、外部电源、液晶显示屏、变频器等 部件构成。通过测量冷却区下游 8条火道的负压值 (零压)，控制 8台风机变频器，调节每台火道的鼓风 量 ，使其零压处的压力控制在微负压值附近；同时鼓 风操作站实现与监控站通讯、传递工艺参数及其它 控制信息 、液晶显示屏显示重要工艺参数、安全联 锁 、人机联系等主要功能。 5．2 加热区 加热区由三个燃烧架 ：HR3、HR2、HRI组成。 燃烧架旁有一组燃烧操作站来完成燃烧架的管理与 控制，它 是燃 烧 架 的核 心。操 作 站 由西 门子 s7 PLC、外部电源、液晶显示屏等部件构成。燃烧操作 站完成的主要功能：采集每条火道的温度、重点料箱 的温度、对燃烧架上燃油温度、压力的测控 ；通过调 节燃烧器脉冲阀的通断比来控制每条火道的温度 ； 与监控站通讯、传递工艺参数 及其它控制信息 ；手 动、自动无扰切换 ；必须的安全联锁 ；液晶显示屏显 示重要工艺参数 、方便的人机联系界面。 5．3 预热区 预热 区包括 1个安 装 有调 节 风 门的排 烟 架 (ER)和 1个安装有温度、压力传感器 的温度、压力 测量架(TPR)。排烟架旁有一组排烟操作站来完成 排烟架的管理与控制，它是排烟架的控制核心。操 作站由西门子 s7 PLC、外部电源、液晶显示屏等部 件构成。排烟操作站完成的主要功能 ：采集每条火 道的温度、负压 ，重点料箱的温度 ；液晶显示屏显示 重要工艺参数；与监控站通讯、传递工艺参数及其它 控制信息；通过调节烟斗上每条烟道的电动蝶阀实 现系统温度、负压的协调控制以满足生产工艺要求。 6 结束语 控制系统 由于采用了基于 PROFIBUS现场总 线的分布式控制结构 ，使得阳极焙烧炉控制系统运 行更加稳定、简单、可靠，近一年的实际运行情况 良 好 ，达到了设计 目标 ，取得了很好的效果。 参考文献 ： [1]丘公伟．可缩程序控制器网络通信及应用．北京 ：清华大学出版 杜 ．2000 [2]SIEMENSSTEP'／V5．1编程手册．2000 [3]SIEMENS S7—300和 S7—4oo梯形逻辑缩程参考手册 ．2001．7 (上接第 45页) 又可使与切削液有关的费用降至最低 ，这种介 于湿 式切削与干切削之 问的加工技术称为准干切削技 术。由于它使用的切削液量为最少 ，因而切削液供 给系统简单、体积小，容易布局。如美国Thyessn公 司将润滑系统集成在主轴电机中，其流量由 CNC程 序控制 ，该单元在 6．5s时间内可钻削 10个 8mm、 中心距为 20mm 的孔 ，其每小时仅用一杯润滑液 ， 且大部分被蒸发 。切屑中切削液含量大大减少 ，回收 处理费用大幅度下降 ，准干切削研究的主题是最少 的切削液是多少? 目前采用的研究方法是钻削、工 作材料 、刀具类型及几何参数、切削参数 ；控制 目标 为表面粗糙度、刀具积屑瘤和切削力的大小。 5 结语 环境意识的增强及生产 中努力降低生产成本 、 不破坏生存环境的要求使得加工方法不得不考虑采 用有利于生态环境的加工技术。作为生产要素之一 的切削液在生产过程中对环境、操作者及产品质量 的负面作用已愈加明显 ，某些国家和地 区对切削液 的使用也制订了严格的法律法规 。解决切削液的负 面效应也成为迫在眉睫的问题。干切削加工技术可 从根本上解决切削液带来的不利因素 ，是一种很有 前途的工艺方法。由于它与诸多技术有关 ，广泛地 用于生产还有待于进一步地研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com