绿色高速干式切削技术的研究内容及其发展_绿色制造_先进制造技术_489

绿色高速干式切削技术的研究内容及其发展_绿色制造_先进制造技术1引言制造业是人类社会的传统产业，它的历史可以追溯到远古时代，人们磨制石器、铜器和铁器用来捕猎。制造业为人类社会带来物质财富的同时，又给环境造成了严重的污染。而切削加工作为制造技术的主要基础工艺，是产生污染的重要原因之一。金属切削加工方法有湿式和干式切削法之分。目前采用最多的是湿式切削法(即在金属切削加工时，用一定压力和流量的液体(切削液)连续不断地冷却、润滑刀具和工件加工部件的方法)。这种方法已经使用多年，通常在金属切削加工时使用切削液主要有3个功能：润滑作用，冷却作用，清洗和排屑作用。这些功能对工件已加工表面质量和刀具耐用度具有明显的影响。随着高速切削加工技术的迅猛发展，加工过程中切削液的用量越来越大，有时高达80-1OOL／min。但大量使用切削液造成了许多负面影响，主要表现在以下几个方面。(1)增加了制造成本。据国外许多统计资料表明，切削液及切削液的供给、保养、回收及切削废液的处理等费用加在一起，占总制造成本的13％-17％，而刀具消耗的费用仅占制造成本的2％-4％。(2)造成了环境污染问题。切削液是金属切削加工中造成环境污染的一个重要根源。如乳化液不仅含有油，而且含有烧碱、油酸酯、乙醇和苯酚等有害物质。如果这些切削液未经处理直接排人外界，会对环境造成严重污染。(3)直接危害操作工人的身体健康。切削液产生的油烟会引起工人肺部和呼吸道的多种疾病。切削液与人体直接接触会诱发多种皮肤病[1]。人类社会已经迈入2l世纪，随着制造技术的发展和环保意识的提高，发展以绿色无污染的高速切削工艺和加工方法成为人们追求的目标。在这种背景下，取消或减少切削液和润滑剂的使用已成为金属切削工艺发展的必然趋势，于是干式切削工艺的研究便应运而生，干式切削(DryCutting)的概念逐步形成。2高速干式切削加工技术的提出及发展从20世纪90年代开始，国外对干式切削技术进行了大量研究，1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际生产工程研究会(CIRP)年会上，德国Aachen工业大学的F．Klocke教授作了“干切削”的主题报告；1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B．P．Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告[2]。干式切削自1995年被正名至今，欧洲、美国和日本等工业发达国家非常重视它的研究。干式切削技术已经成功应用到了生产领域，取得了良好的社会效益和经济效益。世界许多知名的机床厂商在他们的目录中都有干切削机床加工中心。德国在干式切削领域中处于领先地位，德国企业在大批量生产中已有10％-15％的加工采用干式切削，并且取得了良好的经济效益。预计到2008年以后会有20％以上的企业采用干式切削技术，这预示着干式切削技术是未来切削加工发展的一个方向。在我国，干式切削技术的研究也已起步，并取得了不少研究成果。为了跟上国际形势，顺应世界切削技术的发展趋势，我国应加快对干式切削技术的研究。3高速干式切削加工的形成干式切削是一种在加工过程中不使用切削液的加工方法。但是，在干式切削加工中，由于切削过程缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用，相应地会出现以下问题：(1)由于缺少切削液的润滑作用，干式切削加工中的切削力会大大增加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工表面质量变差，刀具磨损加快，刀具使用寿命缩短。(2)由于缺少切削液的冷却作用，干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环境会导致形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。(3)会由于摩擦使工件和刀具的温度升高，导致刀具磨损加快，工件产生残留应力，刀具和工件发生热变形，表面质量降低。(4)无润滑作用，会使刀具分屑困难，切屑堵塞容屑槽，还可能损坏已加工的工件表面。(5)对于机床本身，如不及时将热量从机床的主体结构中排出，由于不能保持热平衡，机床的床身、立柱等构件也会因温度变化而产生细小但不容忽视的变形，影响加工精度和降低工件表面质量。(6)切屑如不及时排除，残留切屑可能导致夹紧误差、损坏机床导轨等等。而在工艺相同的情况下，高速切削加工存在以下优势：(1)随着切削速度的提高，单位时间内的材料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积，vfap)增加，切削加工时间减少，从而可大幅度提高加工效率，降低加工成本。(2)在高速切削加工范围内，切削力随着切削速度的提高而减小，根据切削速度的提高幅度，切削力平均可减少30％以上，有利于对刚性较差的零件和薄壁零件的切削加工。(3)高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，可带走大量切削热。切削速度愈高，带走的热量愈多(约90％以上)，传给工件的热量大幅减少，有利于减小加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。(4)从动力学的角度，在高速切削加工过程中，切削力随切削速度的提高而降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源。转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。以上的优点正好弥补干式切削的不足，二者结合形成高速干式切削加工，在高速干切削方面，美国Makino公司提出“红月牙”(RedCrescent)干切削工艺。其机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近的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。这也是目前比较成功的干式切削方法。因此，干式切削工艺的成败，不是简单地停止使用切削液，关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法，在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品品质和高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性。这些需要用性能优良的干式切削刀具、机床以及辅助设施替代传统切削中切削液的作用。4高速干式切削加工中机床和刀具的选择针对高速干式切削加工比普通高速切削加工的切削力、切削热明显增大的情况，需要重新考虑权衡和合理选用相应的切削参数，以使高速干式切削加工过程的动态稳定性满足加工要求。4.1干式切削的机床技术用于干式切削的机床在功能和结构设计上必须考虑切削热的散发和排屑两大问题。干式切削时在切削区域产生的大量切削热若不及时排除，就会使机床受热较大且不均匀，其热变形将成为影响工件加工精度的一个重要因素。因此，机床应配置循环冷却系统，带走切削热量，并在结构上有良好的隔热措施。经研究表明，干式切削的理想条件应是在高速切削条件下进行，以减少传到刀具、工件和机床上的切削热量。干式切削应与高速数控机床相联系。当今，切削加工已朝着高速、超高速方向发展。高速切削机床技术的发展给干式切削的实现创造了良好的条件。对于精密切削机床，可在机床上装上监控系统，以检测切削区域的温度变化、切削力的变化以及刀具的磨损，并配以机床补偿装置。为了便于排屑，干式切削机床在结构上应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身，便于将大量热切屑排出，机床上应配有自动排屑装置。因此，干切削机床在结构和功能上有其特殊性[3]。4.2干切削刀具材料干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性、耐磨性和热韧性，而且还必须有良好的耐热性、耐热冲击和抗粘结性；切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小；刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热；刀具应具有较高的强度和抗冲击韧性。目前用于干切削的刀具主要有：陶瓷(Al2O3，Si3N4)和金属陶瓷(Cermets)材料刀具，其硬度在高温下变化不大，具有很好的红硬性，因此很适合于一般目的干加工而无须冷却液。但是这类材料一般较脆，即热韧性不好，故不适用于断续切削，较适用于进行干车削而不适用于干铣削。而氮化硅(Si3N4)特别适合于在断续切削和铸铁有砂皮情况下对铸铁和球墨铸铁进行干切削。立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)、聚晶金刚石(PCD)、超细晶粒硬质合金等各具特点的超硬刀具材料也广泛使用于干切削。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具有高硬度、高耐磨性，高的化学稳定性、良好的导热性和热稳定性以及较低的摩擦系数，是干式切削的理想刀具，可加工大部分高硬度材料如铸铁和淬火钢，在许多场合可以以车、镗、铣等代替磨削加工工艺，在高速切削灰铸铁材料时其刀具寿命可达到陶瓷刀具的20～30倍；其使用寿命远远高于硬质合金，能使被加工零件获得高的精度和良好的表面质量，并大大提高生产效率。聚晶金刚石(PCD)刀具硬度非常高(7000-8000HV)，热导率好(2100w／m·K)，线膨胀系数小，PCD刀具切削时能迅速将切削热从刀尖传递至刀体内部，从而减小因刀具热变形引起的加工误差，避免刀具发生热损伤。PCD刀具主要用于加工铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等有色金属材料，也可用于加工耐磨性极好的高性能材料如纤维增强型塑料、金属复合材料、木材复合材料等。用PCD刀具干式切削铝合金可达到很高的切削速度和理想的刀具寿命。超细硬质合金刀具具有很好的耐磨性和耐高温性，又具有极好的韧性和刃口强度，但并不适合所有的加工场合。可用于制作大前角刀具如钻头、深孔钻、刀片等，用于干式铣削和钻削。立方氮化硼(CBN)具有高硬度(3200-4000HV)、较好的热传导率(1300W／m·K)和良好的抗化学腐蚀性，且在12000C的高温下具有良好的热稳定性。CBN的高耐热性和高红硬性使其非常适合用于干式切削。CBN刀具主要用于加工铸铁和淬火钢。采用CBN刀具进行干式切削可实现淬硬工件(淬火硬度60—70HRC)的以车代磨加工。用CBN刀具干式切削铸铁可大幅度提高切削速度，改善刀具寿命[4，5]。4.3干切削刀具的涂层技术干切削刀具涂层技术是在刀具的刀体上涂上一层或多层不同性质的材料，从而具有对刀具整体性能的加强和提高的作用。近十几年来，刀具涂层技术发展非常迅速，涂层材料种类繁多，涂层工艺也日趋成熟，涂层材料的化学稳定性好、红硬度高、绝热性好等优点而且能减少刀刃与工件表面的磨擦，起到润滑液的作用。刀具涂层技术发展迅速，涂层材料多达15种，有的刀具在刀体上的涂层多达13层。德国柏林大学进行的采用PCD涂层刀具(HC+PCD)和未涂层刀具(HW)的干车削对比实验研究表明，涂层刀具(HC+PCD)在车削过程的切削力、推力以及进给力都小于未涂层刀具(HW)；PCD涂层刀具的耐磨性好于未涂层刀具[6]。涂层刀具可分二大类：一类是“硬”涂层刀具，如TiN、TiC和Al2O3等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TiC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强；而TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。另一类是“软”涂层刀具，如MoS2、WS等涂层刀具，主要目的是增加刀具的强度和硬度、耐磨性能，减小切削力和降低切削温度。它适于一些不适合采用硬涂层刀具加工的领域，如航空航天工业中的一些高强度硬质合金、钛合金等，采用软材料涂层刀具可获得更好的加工效果，软涂层材料可增加刀具表面的润滑性能，在切削过程中减少刀具和工件之间的摩擦，防止刀刃上产生积屑瘤，因而可提高加工表面质量，延长刀具寿命。例如瑞士开发的“MOVIC”涂层丝锥，刀具表面涂覆有一层MoS2。切削实验表明，未涂层丝锥只能加工20个螺孔，用TiAlN涂层丝锥时可加工1000个螺孔，而用MoS2涂层丝锥可加工4000个螺孔。而最近的研究表明金刚石涂层Si3N4刀具比未涂层Si3N4刀具的加工光洁度提高一级，使用寿命提高10倍以上。TiAlN是干切削常用的涂层材料，当它与MoS2为基的“MOVIC”软涂层结合起来可取得更好的效果。对热处理钢钻孔的实验结果表明，TLMN+MOVIC涂层刀具比TiN涂层刀具使用寿命提高了4倍，比TiAlN涂层刀具使用寿命提高了1.66倍[7]。采用软／硬组合涂层，即先在刀具上涂上“硬”涂层(如TiN)后再在其上涂上“软”涂层(如ioS2)，采用这种组合涂层的钻头在钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔时，刀具寿命高达1600min，而硬涂层钻头，如TiN和TiCN涂层的钻头寿命只有19.6min和44min。另一种很有前途的涂层新工艺叫等离子注