金屬切削領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略——高速干切削技術(shù)
時(shí)間:2011-06-18 08:11:07 來源:未知
1 引言
可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是人類為擺脫資源匾乏、環(huán)境惡化的困境，實(shí)現(xiàn)從工業(yè)文明向生態(tài)文明過渡的重大戰(zhàn)略，它至少包含以下兩層含義：首先是發(fā)展，再就是發(fā)展的可持續(xù)性。具體到金屬切削領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，就是既要向高效率、高精度、高柔性、自動(dòng)化的方向繼續(xù)發(fā)展，又要采用清潔的切削方法，實(shí)現(xiàn)綠色制造。高速干切削既是采用高效率的高速數(shù)控加工手段，由此獲得高精度、高柔性，同時(shí)又限制使用切削液，消除了切削液帶來的種種負(fù)面影響(如增加成本、污染環(huán)境、危害工人健康等)，因此它是符合可持續(xù)發(fā)展要求的先進(jìn)制造技術(shù)。
高速切削具有切削效率高、切削力小、加工精度高、切削熱集中、加工過程穩(wěn)定以及可以加工各種難加工材料等特點(diǎn)，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更是顯而易見，因此，目前高速切削加工的應(yīng)用非常迅速和廣泛。但隨著高速機(jī)床、加工中心切削速度和切削功率的急劇提高，單位時(shí)間內(nèi)金屬切除量大量增加，機(jī)床的切削液用量也越來越大，一些高速加工中心使用的高壓冷卻液像瀑布一樣淋向工件、刀具以及工作臺(tái)，這不僅加重了切削液的負(fù)面作用，而且也產(chǎn)生了新的問題，具體表現(xiàn)在：高速切削時(shí)，切削液實(shí)際上很難到達(dá)切削區(qū)，大量的切削液根本起不到作用。與之相比，干式切削采用其他技術(shù)措施取代切削液在切削過程中的作用，能有效地降低生產(chǎn)成本、改善生產(chǎn)環(huán)境，徹底解決切削液對(duì)工件微淬火和對(duì)刀具熱沖擊的問題，但同時(shí)也帶來了切削區(qū)溫度升高、刀具磨損加劇、加工質(zhì)量下降的問題。而高速干切削技術(shù)是在高速切削技術(shù)的基礎(chǔ)上，融人干切削技術(shù)或最小量有效潤滑的準(zhǔn)干切削技術(shù)，它是結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)它們的不足進(jìn)行了有效補(bǔ)償?shù)囊豁?xiàng)新興先進(jìn)制造技術(shù)。
從表面上看，采用高切速、大功率的切削方法，單位時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生更多的切屑和切削熱，從而更加依賴于切削液的排屑和冷卻，同時(shí)，由于沒有了切削液的潤滑，刀具也將加劇磨損。而實(shí)際上我們?cè)诜治隽烁咚偾邢鞯囊恍┨匦裕⑼ㄟ^一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)高切速對(duì)實(shí)施干切削固然是在一方面增加了難度，但在另一方面卻具有一定的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在：高速切削速度快，大量的切削熱來不及傳人工件，雖然產(chǎn)生的熱量多，但95%～98%的切削熱已被切屑帶走，工件基本處于冷態(tài)。例如，高速切削性能比較好的鋁合金材料，在普通切削中，鋁屑常常會(huì)在大量的切削熱作用下部分熔化，粘附在刀具上，嚴(yán)重影響工件表面加下質(zhì)量，而采用高速干切削可使鋁屑在來不及熔化的時(shí)候就脫離刀具和工件，一次加工就能達(dá)到很高的表面質(zhì)量。因此高速干切削技術(shù)的關(guān)鍵在于切削過程中的快速排屑，以及機(jī)床、刀具的高溫性能，我們下面就從高速干切削機(jī)床和刀具兩方面對(duì)高速干切削技術(shù)進(jìn)行論述。
2 高速干切削機(jī)床
圖1
圖2
高速干切削對(duì)機(jī)床的基本要求，首先必須是高速機(jī)床，要有較高的切削速度和進(jìn)給速度，同時(shí)結(jié)構(gòu)上要有利于快速排屑，并有較高的熱穩(wěn)定性。內(nèi)置的高速電機(jī)主軸是機(jī)床實(shí)現(xiàn)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳選擇，目前可選的高速主軸轉(zhuǎn)速從10,000r/min到150,000r/min ，功率從0.5kW到80kW，可以滿足不同的切削需要；快速進(jìn)給系統(tǒng)可以采用改進(jìn)的滾珠絲杠或直線電機(jī)，進(jìn)給速度可以達(dá)到60～180m/m/min，加速度可達(dá)19.6～98m/s2，完全滿足快速進(jìn)給的需要。因此，在高速機(jī)床日益普及的今天，高速干切削對(duì)機(jī)床的要求主要針對(duì)機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)和輔助設(shè)施，機(jī)床床身是保證機(jī)床穩(wěn)定性的基礎(chǔ)大件，應(yīng)采用熱穩(wěn)定性較好的整體鑄造的框架式或龍門式結(jié)構(gòu)，最好應(yīng)用絕熱材料“人造花崗巖”或新型均熱材料(如在鋁材料中添加20%的碳化硅得到的新型復(fù)合材料)，增加絕熱傾斜蓋板。機(jī)床整體結(jié)構(gòu)盡量簡單，盡可能采用方便排屑的立式主軸布置，工作間寬敞明亮，內(nèi)部減少凸臺(tái)、凹槽，方便排屑，密閉工作間內(nèi)增加通風(fēng)設(shè)施。如圖1是MURATEC公司的MW系列雙塔干式車床模型，其主體結(jié)構(gòu)對(duì)稱，排屑簡單方便，采用雙主軸平行布置，帶有12刀位轉(zhuǎn)塔，有很高的加工效率，適合于鑄件、淬硬鋼。圖2所示的加工中心是Hueller Hille公司專門為干切削設(shè)計(jì)的specht 500T型高速加工中心，這種加工中心最大的特點(diǎn)就是有一個(gè)可沿水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的工件更換器，利用這種工件更換器，工件在裝料側(cè)處于正常位置，而在工作間里則是自上而下懸掛著進(jìn)行切削，使切屑可以從上面自然落下。其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)25,000～60,000r/min，主電機(jī)功率60kW, 帶有液氮冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，排屑可靠，很適于對(duì)鋁合金或纖維增強(qiáng)塑料等進(jìn)行高速干切削。
#p#分頁標(biāo)題#e#另外，高速干切削機(jī)床還應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：(1) 吸塵、排屑裝置：高速干切削機(jī)床會(huì)產(chǎn)生很多灰塵和細(xì)小切屑，可采用真空、吹氣或虹吸裝置來排塵，同時(shí)還能起到一定的輔助排屑作用，特別對(duì)產(chǎn)生連續(xù)切屑的塑性材料的切削，幾乎要完全依賴真空或虹吸裝置來排屑，這時(shí)對(duì)真空或虹吸裝置的性能、安裝位置就有更加苛刻的要求。(2)測(cè)量補(bǔ)償裝置：加工精度要求較高時(shí)，采用激光測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)工件的精度，同時(shí)可以測(cè)定主軸和工件的熱延伸，反饋給進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，進(jìn)一步提高機(jī)床的加工精度。(3)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置：對(duì)切削過程的連續(xù)性和可靠性有較高要求時(shí)，增設(shè)刀具監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具的破損、磨損失效，保證切削的可靠性和安全性。
高速干切削常用刀具材料表
刀具材料
優(yōu)缺點(diǎn)
典型應(yīng)用
硬質(zhì)合金
抗沖擊能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，但切削速度有限
適用于大多數(shù)材料，是應(yīng)用最多的涂層刀具基體材料
金屬陶瓷
通用性很好，適用中速切削，有較好的抗積屑瘤性能。不具備足夠高的熱硬性
在鋼、鑄鐵、不銹鋼和鋁合金等材料上都有應(yīng)用
陶瓷
連續(xù)切削性能好，耐沖擊(尤其晶須陶瓷)。不能加工鋁合金
特別適合灰鑄鐵、球墨鑄鐵、淬硬鋼和耐熱合金等
立方氮化硼
高熱硬性(可達(dá)2000℃)，高強(qiáng)度，高抗熱沖擊性能。化學(xué)穩(wěn)定性不如陶瓷
一般切削硬度在HRC48以上的材料，如粗加工淬硬鋼和珠光體灰鑄鐵
聚晶金剛石
最硬、最耐磨的刀具材料，高速性能好。只能用于加工非鐵零件，不能經(jīng)受切削區(qū)超過6000℃的高溫
適宜于加工有色金屬和非金屬材料，如難加工的高硅鋁合金
機(jī)床在進(jìn)行了上述的結(jié)構(gòu)改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)后，將獲得較好的高速性能和熱穩(wěn)定性能。其造價(jià)與同類的高速機(jī)床也相差不大，雖然增加了一些輔助設(shè)施，但去掉了冷卻裝置，同時(shí)獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，具有較高的性能價(jià)格比，能夠適應(yīng)高速干切削工藝的需要。
3 高速干切削刀具
高速干切削過程中，大部分的切削熱被切屑和刀具承載，其中切屑被快速處理，而刀具卻持續(xù)承受切削熱和切削力，因此要求刀具有很高的紅硬性和高溫穩(wěn)定性。上表列出的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼、聚晶金剛石五種刀具材料都有較高的紅硬性和耐磨性，是目前高速和干式切削中應(yīng)用最為普遍的幾種刀具材料，作為高速干切削刀具材料它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，我們可以依據(jù)需要進(jìn)行選擇。例如切削灰鑄鐵，可以選用氮化硅陶瓷刀具在2,000～4,000m/min的速度下連續(xù)切削。當(dāng)然，高速干切削刀具不僅與刀具材料相關(guān)，還與刀具的涂層以及刀具的幾何參數(shù)密切相關(guān)。涂層的應(yīng)用是切削液不再必要的重要原因，它具有兩大作用可以在切削過程中取代切削液：(1)提供低摩擦層，取代切削液的潤滑作用；(2) 提供低導(dǎo)熱層，抵抗切削熱向刀具傳播，取代切削液冷卻刀具的作用。因此，一般的干切削都使用涂層刀具。目前，刀具涂層材料及涂覆方法層出不窮，如具有低摩擦系數(shù)的晶格雙硫化合物和高溫難熔金屬構(gòu)成的軟涂層，高硬度、高熱穩(wěn)定性的金剛石薄膜涂層，以及由多種涂層材料組合構(gòu)成的納米級(jí)涂層和為被加工材料量身定做的專用涂層等等。它們各自具有不同的切削性能，滿足不同的切削要求，例如，在高速干切削的情況下，應(yīng)用最廣的涂層材料氮鋁化鈦(TiAlN) ，硬度高達(dá)HV3500，工作溫度高達(dá)799℃ ，而且有良好的抗化學(xué)磨損性能，但自潤滑性能較差，如果在TiAlN涂層上面再涂覆一層軟涂層材料WC/C，將大大改善刀具性能，提高表面加工質(zhì)量，能有效延長刀具壽命3～4倍。
#p#分頁標(biāo)題#e#另外，高速干切削刀具在大多數(shù)情況下，都是針對(duì)某種材料的具體工藝要求專門設(shè)計(jì)制作的，這就允許在刀具設(shè)計(jì)中融入高效冷卻手段或進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，如在切削發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)，刀具前刀面可加一個(gè)液氮循環(huán)冷卻裝置，既可降低溫度，又可防止刀具的高溫氧化；又如在大多數(shù)情況下，連續(xù)的切屑是很難處理的，這時(shí)需要設(shè)計(jì)出合適的刀具斷屑槽或特殊的刀具幾何結(jié)構(gòu)，使切屑自動(dòng)折斷或控制切屑流動(dòng)方向，有利于切屑處理。
4 結(jié)束語
高速干切削機(jī)床和刀具技術(shù)是高速干切削實(shí)施的重要條件，高速干切削機(jī)床必須具備可靠的高速性能，并具有能實(shí)現(xiàn)快速排屑的結(jié)構(gòu)和較高的熱穩(wěn)定性；高速干切削刀具必須使用紅硬性好、熱穩(wěn)定性好的刀具材料并運(yùn)用涂層技術(shù)。但機(jī)床和刀具技術(shù)并不能解決全部的問題，隨之產(chǎn)生的新問題還有待于我們進(jìn)一步對(duì)高速干切削工藝技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。