金屬加工界的新環(huán)保加工技術(shù)

1、金屬加工界的新環(huán)保加工技術(shù)1997年12月，在日本京都召開(kāi)了防止地球變暖的國(guó)際會(huì)議，會(huì)上通過(guò)了“京都議定書(shū)”，提出了有害氣體的排放規(guī)定。議定書(shū) 通過(guò)6年來(lái)，已得到世界許多國(guó)家的認(rèn)同，俄羅斯也于2004年10月下旬正式批準(zhǔn)該議定書(shū)。迄今，在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域已認(rèn)真討 論過(guò)不少全球環(huán)境保護(hù)的相關(guān)問(wèn)題。在機(jī)械加工過(guò)程中，為了降低環(huán)境污染程度，已把建立綠色工廠作為重要課題提上議事日 程。在切削加工中，切削液的使用存在兩方面的問(wèn)題，即使用階段和廢液處理階段均會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等有害氣體，從環(huán)保角度 來(lái)看，危害性極大。因此，應(yīng)盡可能控制切削液的使用和排放，為此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在大力開(kāi)發(fā)干式和半干式加工技術(shù)。這 里重

2、點(diǎn)介紹半干式加工技術(shù)。半干式加工系統(tǒng)由硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩大部分組成，硬件技術(shù)包括：主軸及工作臺(tái)等機(jī)械設(shè)備、半干式加工用的霧液噴供裝 置、塵霧回收裝置、切屑處理裝置及所采用的刀具等；軟件技術(shù)包括：設(shè)定最佳加工條件及加工狀態(tài)監(jiān)控手段等，硬件技術(shù)和 軟件技術(shù)必須高度配合，融為一體。切削加工過(guò)程大力減少切削液的新技術(shù)，通常稱(chēng)作“微量切削液供給法”，即MQL(Minimal Quantity Lubrication)o目前，MQL正在制造業(yè)中大力推廣。在實(shí)踐過(guò)程中，有些問(wèn)題亟待解決，有關(guān)的研究開(kāi)發(fā)工作也正在 加緊開(kāi)展。本文擬就半干式加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題作一個(gè)概略的介紹。半干式加工技術(shù)涉及到的

3、加工技術(shù)如圖1所示。圖1半干式加工的相關(guān)技術(shù)利用主軸供油孔的MQL裝置與切削液相比，霧液流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量較小，因此，刀具或工件在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，附近發(fā)生的空氣流動(dòng)將會(huì)影響冷卻霧液的流向，使 其不能充分到達(dá)切削位置。這種現(xiàn)象在主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min的高速切削、孔加工、切槽等加工中尤為明顯。解決此問(wèn)題 最有效的手段，便是讓冷卻霧液經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)主軸的內(nèi)部，再通過(guò)鉆頭、立銑刀等回轉(zhuǎn)工具的供油孔，直接送到切削部位。這種由 主軸內(nèi)孔供應(yīng)冷卻霧液的方式，在原有的濕式加工中也曾使用過(guò)，但過(guò)去供給的是液體，而現(xiàn)在供應(yīng)的卻是霧狀液流，于是便 出現(xiàn)了下述問(wèn)題。圖2所示為采用原有主軸供液方式的高速主軸供油孔送出霧液時(shí)主

4、軸轉(zhuǎn)速與霧液噴出量的關(guān)系。圖2主軸轉(zhuǎn)速與霧液噴出量的關(guān)系（米用原主軸送液結(jié)構(gòu)）由圖可知，主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min時(shí)，刀具刃尖部噴出的霧液量便急劇下降。原因在于，當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，受離心力的 作用，液滴附著在主軸內(nèi)的回轉(zhuǎn)通道內(nèi)壁上；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)30000r/min這樣的高速回轉(zhuǎn)時(shí)，霧液幾乎全從霧流中分離出來(lái)， 從刀具油孔中噴出的幾乎純?yōu)榭諝?。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員采用了如下措施：（1）讓壓縮空氣和切削液從不同的路線(xiàn)送出， 通過(guò)主軸，讓兩者在主軸端部的刀柄附近混合，形成霧液；（2）將主軸內(nèi)霧液通道改為非回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，藉以抑制離心力的作用。在 主軸內(nèi)配有特殊結(jié)構(gòu)的非回轉(zhuǎn)線(xiàn)路后，即便在高速回轉(zhuǎn)

5、條件下，也可獲得非常穩(wěn)定的霧液噴出量。主軸轉(zhuǎn)速加iiin主軸轉(zhuǎn)速加iiin-一三王碧提*圖3主軸轉(zhuǎn)速與霧液噴出量的關(guān)系（采用非回轉(zhuǎn)型主軸線(xiàn)路）模擬霧液作用的供給裝置利用高速回轉(zhuǎn)主軸輸送霧液的供給性能，受霧液粒徑、密度、主軸孔內(nèi)回轉(zhuǎn)路線(xiàn)的形狀、尺寸等因素的制約。為了在設(shè)計(jì)階段 定量預(yù)測(cè)出上述各項(xiàng)參數(shù)，研究人員采用通常的流體解析軟件來(lái)模擬霧液的作用。圖4即為采用該軟件（Star-CD）解析通過(guò)回轉(zhuǎn) 線(xiàn)路的作用實(shí)例之一。當(dāng)主軸不回轉(zhuǎn)時(shí)，霧液從主軸后端直接流向前端；當(dāng)主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，在回轉(zhuǎn)路線(xiàn)內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)性流 動(dòng)，液滴受離心力影響，接觸到路線(xiàn)側(cè)壁，這將減少送到主軸前端的液滴數(shù)量，從而降低冷卻潤(rùn)滑效果

6、。i bi b）零液通諺為非回 轉(zhuǎn)線(xiàn)路的主軸（村）霉液讒道為回 轉(zhuǎn)線(xiàn)炸的主軸圖4霧液在高速回轉(zhuǎn)主軸內(nèi)的作用圖5為通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的不同直徑液滴平均可到達(dá)的距離進(jìn)行比較結(jié)果。液滴直徑越小，越不易受離心力的影響，液滴隨著回 轉(zhuǎn)路線(xiàn)的回轉(zhuǎn)旋流，也更容易到達(dá)刀具的刃尖部位。但是，如果液滴直徑過(guò)小，當(dāng)它從刀具端部流出后，附著于刃尖或工件加 工面的性能也就更差，這些微細(xì)液滴易于浮游在周邊環(huán)境中，既污染環(huán)境，又減弱了冷卻效果?？紤]到各種因素，推薦液滴直 徑約2m最為適用。這一數(shù)值與目前使用的霧液產(chǎn)生裝置的標(biāo)準(zhǔn)水平大體一致。霧液供給裝置在性能方面的要求是：產(chǎn)生具 有最佳霧滴直徑的霧液，利用必要的空氣壓力及適當(dāng)?shù)?/p>

7、流量，能夠穩(wěn)定地將霧液輸送到加工部位。圖5圖5液滴直徑與主軸內(nèi)氣流路線(xiàn)對(duì)液滴平均到達(dá)距離的影響二槌金垣麗冗呼夔蓬（計(jì)算機(jī)模擬）新型MQL方式的效果1）潤(rùn)滑和冷卻效果良好霧液通過(guò)主軸內(nèi)孔，再由刀具供油孔直接流向加工部位，這種結(jié)構(gòu)和半干式加工組合起來(lái)，可獲得良好的潤(rùn)滑和冷卻效果，而 這是過(guò)去采用濕式加工無(wú)法達(dá)到的。圖6所示為用鉆頭加工孔的的實(shí)例，試驗(yàn)采用干式、半干式、濕式三種方式加工，圖中列 出了各種加工方法產(chǎn)生的刀具后面磨損寬度比較。結(jié)果表明，采用主軸內(nèi)孔供液的MQL加工，能有效抑制刀具磨損，其結(jié)果 與濕式加工大體相同，而其環(huán)保效應(yīng)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于濕式加工。工件材料：S55C工件材料：S55C所用刀具

8、：硬質(zhì)合金鉆頭（05mm）三三.笑-迥眠史讖回點(diǎn)涂層：TiN切削速度：200m/min進(jìn)給量：0.1mm/r孔深：15mm圖6加工孔數(shù)與后刀面磨損的關(guān)系2）可實(shí)現(xiàn)小直徑深孔的高速加工 最近，富士 BC技研公司開(kāi)發(fā)出一種新型霧液裝置EBT系列，這是一種小直徑深孔加工專(zhuān)用的外部混調(diào)內(nèi)部送液裝置（在機(jī)外 調(diào)制成霧液，通過(guò)主軸內(nèi)孔，再由刀具供油孔噴出）。EBT系列的霧液噴出量比2000年該公司開(kāi)發(fā)的同類(lèi)產(chǎn)品提高3倍以上。 另外，在工具生產(chǎn)廠的配合下，他們?cè)谥睆较嗤你@頭上，增大供油孔徑，使噴出的霧液大幅度增加，據(jù)稱(chēng)霧液噴出量最多可 增大7倍。這種裝置與刀具的各種參數(shù)相配合進(jìn)行切削試驗(yàn)，結(jié)果表明，刀具壽

9、命提高2倍以上；將其用于立式加工進(jìn)行試驗(yàn) 時(shí)，無(wú)需增添加壓裝置即可進(jìn)行小直徑深孔加工。圖7所示為曲軸油孔的半干式高速加工實(shí)例。圖7曲軸油孔的半干式高速加工（EMG公司）3）可用于難加工材料的切削加工Inconel是一種典型的難加工材料，在這種耐熱合金工件上加工小孔尤其困難。過(guò)去大都采用濕式加工，效率低，污染重；現(xiàn) 在采用半干式加工，效率成倍增長(zhǎng)，污染也很輕微。如用6mm鉆頭在Inconel工件加工小孔，采用水溶性冷卻液進(jìn)行濕式加工 （v=710m/min，f=0.040.05mm/r），加工長(zhǎng)度最多可達(dá)30m左右，而采用MQL方式加工（v=1520m/min，f=0.06 0.10mm/r），

10、切削長(zhǎng)度可達(dá)186m，約為濕式加工的6倍。由此可見(jiàn)，MQL方式用于難加工材料的切削加工是大有可為的。4）汽車(chē)行業(yè)大量采用MQL加工技術(shù)汽車(chē)行業(yè)的鋁合金零件數(shù)量非常多，過(guò)去采用濕式加工，污染非常嚴(yán)重，加工效率也不理想?，F(xiàn)在，許多廠家正在考慮大量采 用MQL技術(shù)進(jìn)行加工，如馬自達(dá)公司轎車(chē)的氣缸體生產(chǎn)線(xiàn)，兩年前就著手全面采用干式和半干式加工方式，目前，除個(gè)別工 序外，均已采用MQL加工技術(shù)。豐田汽車(chē)公司在齒輪加工和各種孔加工中，已部分采用干式或MQL方式加工。圖8是富士精 工和富士 BC技研公司配合開(kāi)發(fā)的MQL鏜孔刀具。圖8圖8富士精工和富士 BC技研公司配合開(kāi)發(fā)的MQL鏜孔刀具(主要用戶(hù)對(duì)象為汽車(chē)

11、行業(yè))刀具涂層的效果各類(lèi)濕式加工均須在高壓下供給大量切削液，而半干式加工則只需要極少量切削液和壓縮空氣，同時(shí)還應(yīng)考慮與加工過(guò)程相關(guān) 的其它因素，諸如刀具形狀、材質(zhì)的明顯影響等。圖9所示為硬質(zhì)合金鉆頭和DLC涂層鉆頭在鋁材上加工孔的結(jié)果，就已加 工孔的表面粗糙度來(lái)看，DLC涂層鉆頭的效果要好得多。在鋁材的半干式加工中，DLC涂層可有效抑制工件材料在刀具切削 刃上的粘附現(xiàn)象，因此，DLC涂層可作為防止產(chǎn)生粘附現(xiàn)象的有效手段。此外，CVD涂層、PVD涂層、鈦化物涂層等，在干 式和半干式加工中，作為延長(zhǎng)工具壽命的必要技術(shù)，也占有相當(dāng)重要的地位。工件材料：A2017切削速度：100m/min工件材料：A

12、2017切削速度：100m/min二一 5涅羿K1S洋進(jìn)給量：0.1mm/r孔深：15mm(L/D=3)加工孔數(shù)：200圖9鋁材半干式加工的已加工表面粗糙度刀具切削刃形狀及螺旋槽形狀以空氣作為介質(zhì)的MQL加工，與采用高壓冷卻的濕式加工相比較，前者從加工部位往外排屑的性能較差，尤其是在鉆頭進(jìn)行 深孔加工時(shí)，如果所生成的切屑形狀不理想或切屑不能從已加工孔內(nèi)順利排出，將在短時(shí)間內(nèi)使刀具產(chǎn)生破損。因此，必須重 視切削刃形狀、螺旋槽形狀和摩擦力等因素，它們是保證順利排屑的重要條件。供油孔形狀及噴出口的位置 使用帶供油孔的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具進(jìn)行半干式高速加工時(shí)，供油孔的尺寸和位置對(duì)加工性能有著直接的

13、影響。一般的 供油孔均設(shè)置在刀具端部附近，由于半干式加工形態(tài)的特點(diǎn)，霧液往往不能充分送至加工部位。例如，用絲錐加工通孔時(shí)，如 果霧液從絲錐端部噴出，則霧液便會(huì)從通孔出口處流走，冷卻潤(rùn)滑效果較差；如果霧液從刀具側(cè)面噴出，冷卻潤(rùn)滑效果將更加 顯著。另外，還可在工具系統(tǒng)的彈簧夾頭處設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)拈g隙，從該處將霧液噴射至刀具整個(gè)側(cè)面，冷卻潤(rùn)滑效果將更為理想。 總之，在半干式加工中，工具廠家應(yīng)加緊開(kāi)發(fā)出帶有適宜的供油孔形狀和噴出口位置的刀具制品，以便充分發(fā)揮半干式加工的 良好效果。霧液回收裝置MQL加工由于能將霧液噴射裝置所構(gòu)成的系統(tǒng)發(fā)揮出最佳效果，因此可獲得與濕式加工同樣的加工性能。盡管它能用霧液來(lái)取

14、代大量的切削液，但在這種半干式加工過(guò)程中，還存在尚待解決的問(wèn)題。問(wèn)題之一是霧液的飄浮將污染工廠環(huán)境。雖然半干式加工所用切削液是以對(duì)人體影響較小的植物油為基礎(chǔ)的混合液體，而且使 用量也很少，但操作者長(zhǎng)期吸入決非良策。另外，飄浮的霧液粘附在機(jī)床上，容易造成滑溜或傾倒等危害。從機(jī)床方面來(lái)看， 在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)特別重視罩蓋的高密封性能，應(yīng)預(yù)留安裝霧液回收裝置的位置等。在通常情況下，為了提高霧液回收率，應(yīng)提 高回收裝置過(guò)濾器的精密程度和增大吸收量。另外，在開(kāi)發(fā)這類(lèi)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)避免由于裝置大型化而帶來(lái)電力消耗的增加。目前， 廣大用戶(hù)迫切希望開(kāi)發(fā)出高性能、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊的半干式加工專(zhuān)用霧液回收裝置。切屑回收裝置半干