柳 青
(岳陽職業(yè)技術(shù)學院,湖南岳陽414000)
伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展,制造技術(shù)加工方法上涌現(xiàn)了許多新工藝和新技術(shù)。隨著綠色制造、清潔制造等生產(chǎn)理念的成熟,人們越來越清醒地意識到,切削液大量使用所帶來負面影響:
一是零件生產(chǎn)成本大幅度提高,有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,零件加工總成本中,切削液費用約占16%,而刀具費用僅占4%;
二是造成對環(huán)境嚴重污染,破壞生態(tài)環(huán)境,不利于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施;
三是直接危害車間工人身體健康。
環(huán)境問題和資源問題,是當前以至今后人類社會面臨主要問題。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標,使制造企業(yè)取得經(jīng)濟效益與社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化,研究實現(xiàn)綠色制造,對指導業(yè)界生產(chǎn)具有十分重要現(xiàn)實意義。
干切削技術(shù),通常都指不使用切削液來進行切削加工的技術(shù)方法,相對傳統(tǒng)使用切削液加工(濕加工)方法而言,今天更應該從廣義上來理解干切削技術(shù):
只要加工過程不使用切削液或使用微量切削液,加工出工件形成切屑干燥、“干凈”(清潔)且能保證加工質(zhì)量方法,就可歸結(jié)為干切削技術(shù)范疇。如采用最小量潤滑技術(shù)(Minimal Quantity Lubrication,MQL)法加工時,工件切屑可保持干燥,過去文獻稱之為“準干切削”(Near-Dry cutting),實際上從廣義來說,可認為其屬于干切削范疇。
干切削技術(shù)可表述為:切削過程不使用切削液或使用微量切削液,加工出工件形成切屑干燥、“干凈”(清潔)的高精度、高效率先進加工技術(shù)。
由于不使用切削液,完全消除了切削液導致的一系列負面效應。與濕切削相比,干切削具有以下優(yōu)點:
(1)形成的切屑干凈、清潔、無污染,易于回收和處理;
(2)省去了與切削液有關(guān)的傳輸、過濾、回收等裝置及費用,簡化了生產(chǎn)系統(tǒng),節(jié)約了生產(chǎn)成本。
(3)節(jié)省了與切削液及切屑處理有關(guān)的費用;
(4)不產(chǎn)生環(huán)境污染及與切削液有關(guān)的安全與質(zhì)量事故。
由于具有這些優(yōu)點,干切削已成為目前清潔制造工藝研究的熱點之一,并在車、銑、鉆、鉸、鏜削加工中得到了成功的應用。
和相同條件下的濕切削加工相比,干切削也有不足的地方:
(1)直接的加工能耗(加工變形能和摩擦能耗)增大,切削溫度增高;
(2)刀具、切削接觸區(qū)的摩擦狀態(tài)及磨損機理發(fā)生改變,刀具磨損加快;
(3)切屑因較高的熱塑性而難以折斷和控制,切屑的收集和排除較為困難;
(4)加工表面質(zhì)量易于惡化。
由于不使用切削液,干切削時的切削溫度比普通濕切削高很多,刀具能否承受干切削時的巨大熱能,是實現(xiàn)干切削的關(guān)鍵。這方面主要措施有:
(1)采用新型的刀具材料。干切削不僅要求刀具材料具有極高的熱硬性和熱韌性,而且還須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘結(jié)性。目前已發(fā)展的刀具材料主要有金剛石、立方氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷、涂層和超細晶粒硬質(zhì)合金等。發(fā)展具有更加具有優(yōu)異高溫力學性能、高化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高抗熱震性的刀具材料,是推動干切削技術(shù)發(fā)展和廣泛應用的重要前提。
(2)采用涂層技術(shù)。對刀具進行涂層處理,是提高刀具性能的重要途徑。刀具的涂層不僅提高了刀具表面硬度,而且能降低刀具/工件和刀具/切削表面之前的摩擦,也能隔斷切削區(qū)的熱量傳入刀具(片)。目前使用的刀具中有40%是涂層刀具,新的涂層還在不斷出現(xiàn),使用涂層刀具實現(xiàn)干切削加工的趨勢在不斷增長。近10年來,刀具涂層技術(shù)發(fā)展十分迅速,涂層材料多達數(shù)十種。涂層工藝也越來越成熟,通過多年的“技術(shù)攻關(guān)”,現(xiàn)已解決了涂層與基體材料結(jié)合強度低的技術(shù)難題。
(3)采用合理的刀具結(jié)構(gòu)。在干切削加工中,刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化非常重要。原有的標準刀具不能適應干切削,為此干切削加工應優(yōu)化刀具幾何參數(shù),以減少加工中刀具與切屑間的摩擦和強化切削刃。
干切削刀具通用如下設(shè)計方法:
(1)基于自由切削的原理,設(shè)計刀具切削部分的幾何形狀,以減少由于流屑干涉引起的切削能耗;
(2)盡量增大刀具切削部分單位表面積所包含的材料體積,提高刃部和尖部的瞬間受熱能力;
(3)使刀具為負前角或使前后刀面凸起,以延緩月牙洼對刀刃的損害,這種方法在一些新型刀具上已有應用;
(4)增大負刃傾角,改善刀刃及刀尖的切入狀態(tài),以提高刀具抗沖擊和抗熱震能力;
(5)加大切削在前刀面斷屑臺上的變形量和增加斷屑臺的個數(shù),以提高對強韌性切屑的斷屑能力。
研制干切削加工機床,是實現(xiàn)干切削加工的重要手段。這種機床應該剛性足、功率大,能快速有效地排屑,同時用合適的軟件系統(tǒng),補償溫度對加工的影響。設(shè)計干切削機床應要考慮的特殊問題有兩個:
(1)切削熱的迅速散發(fā)。干切削時在機床加工區(qū)產(chǎn)生的熱量較大,這些熱量如不及時從機床的主體結(jié)構(gòu)排出去,就會使機床產(chǎn)生嚴重的熱變形,影響工件的加工精度和機床工作的可靠性。而對于一些無法排出的熱量,相關(guān)部件應采取隔熱措施。
(2)切削和灰塵的快速排出。切屑中帶有大量的熱量,并且落在工件上會劃傷工件,灰塵則會影響工件的加工質(zhì)量。因此,要注意干切削機床的快速排屑結(jié)構(gòu)、輔助排屑設(shè)施和提高干切削機床熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
工件材料在很大程度上決定了實施干切削的可能性。改善材料的可加工性、減少切削過程中變形和摩擦產(chǎn)生的熱量,是發(fā)展干切削的一項技術(shù)措施。例如,開發(fā)易切鋼和易切鑄鐵等。不同工件材料的熱學特性差別較大。干切削要求工件有較大的熱容量和較低的熱導率。因此,大質(zhì)量的零件比小質(zhì)量的零件更適宜于干切削。切削力大、溫度高是干切削的主要特點,為了減少高溫下刀具和工件之間材料的粘結(jié)和擴散,獲得正常的刀具壽命,應特別注意刀具材料和工件之間的合理匹配。
刀具確定以后,根據(jù)具體加工,還應選擇合適的切削用量和其他參數(shù)。在干切削加工中,建議采用高的切削速度,因為高的切削速度會使切屑排除快,散熱快,對提高刀具壽命非常有利。
現(xiàn)已經(jīng)采用的干切削加工工藝有:低溫冷風干切削技術(shù),高速干切削技術(shù),低溫干切削技術(shù),靜電冷卻干切削技術(shù),微量潤滑的準干切削等。
干切削使刀具處于一個更加惡劣的加工環(huán)境,溫度升高,切削力增大等,同時使刀具破損、磨損失效的概率增大。因此,刀具監(jiān)測裝置,將成為干切削可靠性和安全性以及加工質(zhì)量的有利保證。目前隨著傳感器、數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能在刀具監(jiān)測領(lǐng)域的應用,各種性能穩(wěn)定、可靠性高的刀具監(jiān)測裝置,都能在市場找到,選擇主要從其性能要求和經(jīng)濟角度來考慮。
干切削加工從根本上解決了切削液帶來弊端,極大地節(jié)約加工成本,保護生態(tài)環(huán)境,還對傳統(tǒng)濕加工生產(chǎn)方式進行批判挑戰(zhàn)。綠色加工技術(shù),是面向21世紀前沿制造技術(shù)。隨著機床技術(shù)和相關(guān)工藝研究的深入,干切削技術(shù)必將成為金屬切削加工的主要方向。
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