| 绿色加工工艺——干和准干切削 |
|
| 日期：2007-8-23 21:12:16 人气：82 [大 中 小] |
|
|
|
李开佛
近十几年来，工业生产领域相应提出了绿色制造和清洁生产的概念。机械产品的制造过程是直接消耗资源和产生废弃物的主要环节，因此零件的绿色加工工艺愈来愈受到重视。所谓绿色加工工艺，就是要在满足加工质量、加工效率和加工成本要求的条件下，把对环境的负面影响减至最小和使资源(能源、物料)利用率达到最高的工艺。
切削加工迄今仍是机械零件最重要的加工工艺方法，目前切削加工工艺的绿色化主要集中在不使用切削液。这是因为：使用切削液会耗费大量的切削液和电能，日本一年耗费的切削液就达8亿升，而使用切削液所耗费的能量大约占整个机械制造工厂能量的1/10；切削液和切屑的处理费用高，目前与切削液相关的费用已占零件加工成本的14-17%，若排出未经处理的切削液则会污染周围地区的生态环境；会直接污染车间环境和危害工人健康，切削液受热挥发易形成烟雾和产生异味，特别是极压添加剂所含硫、磷、氯等化学元素在切削过程中形成的物质会引致多种疾病。
然而，不使用切削液的干切削并不能简单实现，因为切削液起着三个重要作用：吸收和带走大量切削热，使传入刀具和工件的切削热非常少；在刀具与工件以及刀具与切屑接触界面上形成润滑膜，既减少摩擦又抑制切屑粘连到刀具上；把切屑迅速冲走。最近十几年兴起的干切削技术，就是要在没有切削液的条件下创造与湿切削相同或近似的切削条件，这涉及刀具、机床、工件、加工方式与切削参数等多方面。
干切削加工的刀具与机床
干切削时刀具要承受比湿切削更高的温度，刀具与切屑和刀具与工件接触面上的摩擦系数也要尽可能的小，而且还要求刀具能够断屑和有利于排屑，这就需要从刀具材料、涂层以及刀具几何形状与结构等方面来一同解决。
细晶粒硬质合金特别是能承受较高切削温度的TiC (N)基硬质合金(又称金属陶瓷)，可用于干切削。不过，金属陶瓷的耐冲击性差，故多用于精和半精加工，美国Kennametal公司涂有TiAIN的金属陶瓷刀片HT7，就是为干铣削合金钢和高合金钢而开发。合肥工业大学利用经TiN纳米粉体改性的金属陶瓷刀片进行干切削试验，效果较好。
PCD(聚晶金刚石)和CVD金刚石涂层刀片有很高的硬度和热导率，适合高速干切削各种有色金属和耐磨的高性能非金属材料，但不能加工黑色金属。PCBN(聚晶立方氮化硼)的硬度和耐磨性仅次于金刚石，有优良的红硬性、化学稳定性和低摩擦系数，是高速干切削HRC50以上淬硬钢和冷硬铸铁等黑色金属的理想刀具材料。
陶瓷具有硬度高、化学稳定性和抗粘结性好、摩擦系数低等优点，是相对廉价的干切削刀具材料，但其强度、韧性和抗冲击性能差，为此加入各种增韧补强相并改进其压制工艺。目前，用Si3N4基陶瓷刀片干切削灰铸铁，用Al2O3基陶瓷刀片干切削淬硬钢和冷硬铸铁。
涂层刀具是当今干和准干切削最常用的刀具，基体一般是韧性较好的硬质合金，在基体上涂上一层或多层TiN、TiCN、TiAIN之类的耐磨硬涂层，起耐热和隔热的热屏障作用。为减少切削过程中的摩擦与粘附，往往又在硬涂层之上再加MoS2、WC/C之类起润滑作用的软涂层，使其综合硬涂层硬度高、热稳定性好和软涂层摩擦系数低、自润滑性好的优点于一身。试验证明，涂层特别是兼有软硬涂层的刀具性能更好，如在合金钢材料上干钻盲孔(孔深为直径的4倍)，无涂层的钻头干钻1个孔就损坏了，涂有TiAIN硬涂层的钻头干钻85个孔才失效，涂有TiAIN加WC/C复合涂层的钻头则加工了108个孔。
干切削刀具多以月牙洼磨损为主要失效形式，所以多采用较大的前角以减少切屑与前面的接触面积。为弥补大前角对刃口强度的削弱，常配以加强刃甚至前面上带有加强筋。较大的正前角、锐利而强有力的切削刃有利于断屑，不过在加工韧性材料时，还需根据工件材料和切削用量设计断屑槽，总之干切削刀具的结构设计必须?重考虑断屑和排屑的问题。此外，为了加速刀具的冷却以降低切削温度，也可采用热管式刀具或液氮冷却刀具。
干切削不但对刀具要求很高，也对机床的排屑、防尘和热特性提出较高要求。干切削机床最好采用立式布局，至少床身应是倾斜的，理想的加工方式是工件在上、刀具在下，并在一些滑动导轨副上方设置可伸缩角形盖板，工作台上的倾斜盖板可用绝热材料制成，总的原则是尽可能依靠重力排屑。干切削易出现金属悬浮颗粒，故机床常加装真空吸尘装置和对关键部位进行密封。干切削机床的基础大件要采用热对称结构并尽量由热膨胀系数小的材料制成，必要时还应进一步采取热平衡和热补偿等措施。
干切削加工的工艺技术
干切削时切削区的温度明显高于湿切削，所以在不少情况下干切削加工比湿切削加工时的切削用量要小。不过，在高速切削条件下，95%的切削热将被切屑带走，切削力也可降低30%，所以高速切削也是干和准干切削的发展方向之一。当然，干和准干切削采用的切削用量还要根据具体加工条件进行优选。
在高速干切削方面，美国Makino公司提出“红月牙”(Red Crescent)干切工艺。其机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近工件材料达到红热状态，导致屈服强度明显下降，从而提高材料去除率。实现“红月牙”干切工艺的关键在刀具，目前主要采用PCBN和陶瓷等刀具来实现这种工艺，如用PCBN刀具干车削铸铁车盘时切速已达到1000m/min。
当然，选用什么刀具材料还要视工件材料而定。虽然上述PCBN很适合进行高速干切削，但主要是对高硬度黑色金属和表面热喷涂的硬质工件材料进行干切削，由于CBN与铁素体有亲和性，故不宜用于低硬度(HRC45以下)工件的加工。又如金刚石刀具的碳与铁元素有很强的化学亲和力，故不能用来加工黑色金属。 |
|
|
| 我有问题，我要进入论坛 |
| 出处：本站原创 作者：佚名 | |
|
