先進(jìn)制造技術(shù)之干切削加工

1、先進(jìn)制造技術(shù)之干切削加工摘要：介紹了干切削加工的概念、產(chǎn)生的背景；闡述了干切削加工的一些關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用等。關(guān)鍵詞：概念、背景、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用干切削技術(shù)是對傳統(tǒng)生產(chǎn)方式一個重大創(chuàng)新，是一種嶄新清潔制造技術(shù)。干切削加工技術(shù)是一種加工過程不用或微量使用切削液的加工技術(shù)，一種對環(huán)境污染源頭進(jìn)行控制的清潔環(huán)保制造工藝。它作為一種新型綠色制造技術(shù)，不僅環(huán)境污染小，而且可以省去與切削液有關(guān)裝置，簡化生產(chǎn)系統(tǒng)，能大幅度降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，同時形成的切屑干凈清潔，便于回收處理。干切削已成為目前綠色制造工藝研究的一個熱點，并已經(jīng)得到了成功應(yīng)用1。一、干切削加工的概念及特點干切削就是在加工過程中不用任何切削液的工藝

2、方法。由于不用切削液，因而干切削可以完全消除切削液帶來的一系列負(fù)面效應(yīng)。干切削具有以下特點：1）形成的切屑于凈清潔無污染，易于回收和處理。2）省去與切削液有關(guān)的傳輸、回收、過濾等裝置及費用，簡化了生產(chǎn)及處理系統(tǒng)，節(jié)約了生產(chǎn)成本。3）不產(chǎn)生環(huán)境污染，也不產(chǎn)生與切削液有關(guān)的安全及質(zhì)量事故2。4）加工質(zhì)量高，由于干切削沒有冷卻液對工件的急冷，工件沒有微淬火現(xiàn)象，不會產(chǎn)生表面微裂紋，同時加工后的工件不會因存在殘留切削液而形成腐蝕銹斑，因此提高了工件表面質(zhì)量。5）延長刀具壽命，通常認(rèn)為，由于切削液的冷卻與潤滑作用，對提高刀具使用壽命有利。但美國密歇根技術(shù)大學(xué)進(jìn)行的比較性切削試驗表明，在一定的切削速度（尤

3、其在較高速度）下，濕式切削由于冷卻液加注過程中的不連續(xù)性與冷卻程度的不均勻性，使刀具產(chǎn)生不規(guī)則的冷、熱交替變化，容易使刀頭產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而引起刀具破損，反而降低了刀具的使用壽命。而用于干切削的刀具經(jīng)過特殊處理，降低了切削熱的產(chǎn)生，耐熱性也比普通刀具好,故有較理想的使用壽命。6）高效率，由于干切削自身的特點，為了減小切削熱的產(chǎn)生，并將切削熱及時帶走，延長刀具使用壽命，在機(jī)床及刀具滿足條件的狀況下，多采用提高切削速度的方法，從而提高了加工效率3o二、干切削加工技術(shù)產(chǎn)生的背景在金屬切削加工中，常常使用切削液。切削液使我們可獲得較長的刀具壽命、良好的工件表面粗糙度和尺寸精度。但是，它們的使用也帶來許多不

4、應(yīng)忽視的問題，環(huán)境污染及危害工人健康特別突出。止匕外，使用切削液也會帶來極大的經(jīng)濟(jì)問題。根據(jù)美國一些企業(yè)的統(tǒng)計，消耗在切削液和廢液處理方面的費用占總成本的14%16%,而刀具的費用只占2%4%。為保護(hù)環(huán)境和降低生產(chǎn)成本，最好的辦法就是不用或少用切削液，即采用所謂的干切削。它是一種涉及刀具、機(jī)床、工件、加工方式與切削參數(shù)等多方面的清潔、高效的新工藝。環(huán)境保護(hù)、“綠色產(chǎn)品”的呼聲，促使我們重新審視切削液的應(yīng)用。新型刀具的開發(fā)、工藝的不斷進(jìn)步，使得干切削技術(shù)的應(yīng)用具備了一定的基礎(chǔ)4o三、干切削加工的關(guān)鍵技術(shù)3.1 刀具材料高速干切削刀具材料必須具有良好的耐熱性。目前，超細(xì)顆粒的硬質(zhì)合金、立方氮化硼（

5、CBN）、聚晶金剛石（PCD）、陶瓷和金屬陶瓷都有較高的熱硬性和耐磨性，其中超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌度，適用于制作干式鉆削的鉆頭和銃削刀片等。金屬陶瓷具有較高的硬度和耐沖擊性，但熱硬性較差，主要適用于工件的精加工。陶瓷可分為氧化鋁基和氮化硅基兩大類，具有更高的硬度和更好的化學(xué)穩(wěn)定性，但強(qiáng)度和沖擊韌度較低，適用于制作灰鑄鐵和鋼的干式車削或銃削加工刀具。立方氮化硼硬度高，熱穩(wěn)定性好，可以用來加工鑄鐵和淬硬鋼，是干式硬車削加工中理想的刀具材料，可以實現(xiàn)以車代磨加工。上述各類刀具材料總的特點是：具有良好的熱硬性和高溫穩(wěn)定性，耐磨性好，且在高速干切削條件下，不會因切削液使用不連續(xù)或冷卻不均

6、而造成熱淬裂。3.2 刀具涂層采用高速干切削，若僅使用目前已有的熱穩(wěn)定性好的刀具材料和優(yōu)化刀具幾何形狀，仍不能達(dá)到很好的效果。因此，采用在刀面上涂覆隔熱性好的硬涂層和具有固體潤滑性能的軟涂層，使刀具能承受更高的切削溫度。涂層的作用一是提供了低摩擦層，以減少刀具與工件表面之間的摩擦和粘接，相當(dāng)于切削液的潤滑作用；二是在刀具與切屑之間起到隔熱作用，抵抗切削熱向刀具傳播，相當(dāng)于切削液的冷卻作用。具有潤滑性的軟涂層，如MoS/Mo、WS/W、TaSTTa和WC/C等，由具有低摩擦因數(shù)的晶格雙硫化合物和高溫難熔金屬構(gòu)成。常用的硬涂層有TiN、TiCN和TiAlN,其中TiAIN硬涂層由于添加了Al元素，

7、從而使刀具的抗氧化性能得到極大改善，涂層具有更好的耐熱性和高溫性能，對高溫下承受重荷的切削刃起到了抗磨損作用。在高速干切削中常常使用多層復(fù)合涂層刀具，如把硬涂層和軟涂層結(jié)合在一起，即在1道涂覆工序中采用2種物理氣相沉積工藝（PVD）,先產(chǎn)生硬涂層TiA1N,然后再在其上面采用濺射法產(chǎn)生WC/C軟涂層，可以有效提高刀具的壽命。目前新的涂層技術(shù)如高硬度、高熱穩(wěn)定性的金剛石薄膜涂層，CBNB膜涂層，由多種涂層材料不同組合構(gòu)成的納米級涂層等，均得到了長足的發(fā)展，其所具有的優(yōu)異的抗磨損及自潤滑性能，使其更能適用于眾多材料的高速干切削o3.3 刀具結(jié)構(gòu)干切削刀具的失效形式主要是月牙洼磨損，所以一般都采用較

8、大的前角以減少切屑與前刀面的接觸面積。為彌補(bǔ)大前角對刃口強(qiáng)度的削弱，常配以加強(qiáng)刃甚至前刀面上帶有加強(qiáng)筋。較大的正前角、鋒利而強(qiáng)有力的切削刃有利于斷屑?？傊?，干切削刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮斷屑和排屑的問題。對韌性材料的加工來說，斷屑非常關(guān)鍵，目前車刀三維曲面斷屑槽方面的設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可針對不同的工件材料和切削用量很快設(shè)計出相應(yīng)的斷屑槽結(jié)構(gòu)與尺寸，并能大大提高切屑折斷能力和對切屑流動方向的控制能力。此外，為了加速刀具的冷卻以降低切削溫度，也可采用熱管式刀具或液氮冷卻刀具6。3.4 排屑和隔熱技術(shù)研究表明，切削液的潤滑作用只有10%,因此，與濕切削機(jī)床相比，干切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證快速排

9、屑和散熱，并盡量消除切屑對環(huán)境的不利影響。1）采用快速排屑的布局干切削機(jī)床的主要任務(wù)就是在切屑的大部分熱量傳到機(jī)床之前就要將其迅速排除?？刹扇∪缦屡判挤椒ǎ篴）借助重力排屑。通常鉆削都是從上往下進(jìn)行，切屑從孔中向上排出。如果改變機(jī)床布局，將工件安裝在主軸下部，刀具從下向上鉆削，則將產(chǎn)生完全不同的效果；在重力作用下，切屑就會順利從孔中排出，也無需用一定壓力的切削液來輔助排屑。這一思想已在美國某剎車制造廠一條自動線的柔性加工機(jī)床上得以實現(xiàn)。b）利用虹吸現(xiàn)象將切屑從孔中吸出。虹吸是利用干燥的空氣吸出切屑，也無需切削液。c）利用真空或噴氣系統(tǒng)也可改善排屑條件。如日本住友公司的“潔凈回收系統(tǒng)”，采用把刀

10、具部分整個罩住的結(jié)構(gòu)，利用從內(nèi)部吹出的壓縮空氣，使切屑順著刀具回轉(zhuǎn)的方向經(jīng)螺旋管道排出。止匕外，為降低切屑塵埃、油霧和煙氣對環(huán)境和操作者的有害影響，干切削機(jī)床通常需要對切削區(qū)進(jìn)行密封。2）采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)母魺岽胧C(jī)床床身采用熱穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)和材料，可將切削熱的影響降到最低程度。如采用均衡溫度的結(jié)構(gòu)，將床身的左右兩側(cè)與頂部和底部設(shè)計成四個相通的型腔并注入油液，即可保證整個床身具有相同的溫度。止匕外，機(jī)床立柱與底座等基礎(chǔ)件采用對稱結(jié)構(gòu)，并選用熱容小的材料，主軸采用包溫的水冷裝置等，都能提高機(jī)床熱穩(wěn)定性。采取適當(dāng)?shù)母魺岽胧?，如排屑槽用絕熱材料制造，切削區(qū)采用絕熱罩來隔熱切屑，可以減少排屑

11、過程中切屑傳遞給機(jī)床的熱量口。3.5 輔助工藝技術(shù)目前，高速干切削還不是一項通用技術(shù)，它的應(yīng)用還受到工藝條件、工件材料和加工類型的影響。在高速干切削中，取消了切削液，但其冷卻和潤滑作用還可以采用如下所述的一些工藝措施來實現(xiàn)。1）低溫氣體冷卻低溫氣體冷卻是采用如液氮或冷氣等氣體吹入切削區(qū)，使工件、刀具和機(jī)床的溫升降低，同時配備抽吸系統(tǒng)進(jìn)行防塵和排屑，保證加工區(qū)的消潔。2）MQL最小油量潤滑技術(shù)MQLfc術(shù)主要有氣霧外部潤滑和內(nèi)部冷卻2種，廣泛應(yīng)用于鑄鐵、鋼、鋁合金等的鉆、較、攻螺紋以及深孔鉆削等加工過程中。它是在0.50.6MPa的壓縮空氣中添加少量高性能的潤滑油（550mL/h）,就像是把有限

12、的少量潤滑劑“涂到”切削位置上一樣，使少量潤滑油得到最充分的利用。與此同時，高壓氣體起到冷卻和輔助斷屑作用，以降低刀具溫度8,防止刀具冷焊。3）采用輔助加熱的干切削技術(shù)采用輔助加熱的干切削技術(shù)是通過對加工表面局部加熱，以改善材料的可加工性，降低切削力，有助于干切削的實現(xiàn)。四、干切削加工的應(yīng)用4.1 鑄鐵的干切削鑄鐵加工通常都不用切削液，是最典型的干切削加工方式。鑄鐵干切削目前研究主題是如何提高加工效率。美國LeBLond公司研究開發(fā)白“紅月牙”（RedCrescent）鑄鐵干切削技術(shù)就是采用陶瓷或CBNW具進(jìn)行高速加工。由于切射速I度和進(jìn)給量很高，產(chǎn)生的熱量很快聚集在刀具前端，使這一部分材料達(dá)

13、到紅熱狀態(tài)，其屈服強(qiáng)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16cR/min,而采用紅月牙干切削加工可使其提高到149cm3/min。4.2 鋼的干切削對于鋼的干切削，早已引起人們的注意。美國的LeBLond發(fā)明了一種專利工藝，利用這種工藝在切削速度高達(dá)305m/min時，可用硬質(zhì)合金刀具對淬硬鋼（HRC50及鈦合金進(jìn)行干車削加工，切削熱由通過主軸的高壓冷卻氣帶走，切削溫度可降至最低。日本SyunIchiYamagata研究開發(fā)了鋼材的干式擠壓絲錐，與普通的濕式擠壓絲錐相比，刀具壽命可提高幾倍到幾十倍。如用普通擠壓絲錐加工冷軋鋼板上M4x0.7的通孔螺紋，加工約7000個孔時

14、，絲錐切削部分便產(chǎn)生粘結(jié)和磨損，使切削無法繼續(xù)進(jìn)行，而采用干式擠壓絲錐加工50000個以上的孔也不會產(chǎn)生粘結(jié)和顯著的磨損。4.3 鋁合金的干切削鋁合金導(dǎo)熱性好且熔點低，加工時工件的熱膨脹嚴(yán)重，切屑易和刀面粘結(jié)，堆積在容屑槽中，產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。因此，對鋁合金進(jìn)行干鉆、較、攻絲和端面銃削加工時，刀具應(yīng)具有合適的涂層，有時采用微量切削液潤滑可取得更好的加工效果。PC疏層刀具用于干車削鋁合金工件，可取得良好的效果；人造金剛石刀具在切削鋁合金時，形成積屑瘤的傾向極??；用PVD工藝生產(chǎn)金剛石涂層刀片，適合于干銃削鋁合金。4.4 鎂的干切削鎂是金屬中最難加工的材料之一，因為鎂具有易燃性，與切削液中的水反應(yīng)會

15、生成氫化鎂，并放出危險的氫氣，造成切削液中的水硬化，且鎂一旦受潮就成為污染物。因此，鎂必須采用干切削加工技術(shù)9。4.5 其它材料干切削美國的LeBLond發(fā)明了一種專利工藝，利用這種工藝在切削速度為305m/min時，可用硬質(zhì)合金刀具對淬硬鋼（50HRC及鈦合金進(jìn)行干車削。加工中產(chǎn)生的熱量可由通過主軸的高壓氣體冷卻，可將切削溫度降至最低，每轉(zhuǎn)中可將刀具與工件的接觸限制在25%10。五、讀書心得隨著人類對資源和環(huán)境保護(hù)的日益重視，切削液的負(fù)面影響逐漸引起人們的關(guān)注。用干切削加工代替濕加工，是機(jī)械制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向，干切削加工從根本上解決了切削液帶來的弊端，不僅有利于工人的健康和環(huán)境的保護(hù)，而

16、且可以降低加工成本，無疑是一種很有發(fā)展前途的綠色加工工藝。研究實現(xiàn)干切削加工的關(guān)鍵技術(shù)，對各種不同的工件材料尋求適宜的干切削加工工藝，并盡快投入工業(yè)應(yīng)用，對保護(hù)我國生態(tài)環(huán)境，提高企業(yè)產(chǎn)品的競爭力，都具有十分重要的意義。先進(jìn)制造技術(shù)水平的高低代表著一個國家的工業(yè)水平的高低，決定著一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。在學(xué)習(xí)了先進(jìn)制造技術(shù)這門課之后，我對先進(jìn)制造工藝以及裝備有了更加深刻的認(rèn)識，同時也感受到了我國與一些西方發(fā)達(dá)國家在先進(jìn)制造技術(shù)上的差距，這些差距正是我國工業(yè)化水平較低的根源所在。為此，作為當(dāng)代的中國大學(xué)生，我們應(yīng)該努力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力，為把我國建設(shè)為技術(shù)強(qiáng)國而努力奮斗。參考文獻(xiàn)：1 汪通悅.干切削的關(guān)鍵技術(shù)J,機(jī)械制造，2005(1):54-562 劉志峰.干式加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展J.機(jī)械制造，1997,35(9):693 王西彬.綠色切削加工技術(shù)的研究J.機(jī)械工程學(xué)報，2000(8):694 吳希讓等.干切削加工的研究和應(yīng)用J.汽車工藝與材料，1999,3(23):355 馬平，胡愛玲，白釗.高速干切削及其關(guān)鍵技術(shù)J.新技術(shù)新工藝，2004(4):14