金屬切削領域的可持續發展戰略——高速干切削技術
時間:2011-06-18 08:11:07 來源:未知
1 引言
可持續發展戰略是人類為擺脫資源匾乏、環境惡化的困境，實現從工業文明向生態文明過渡的重大戰略，它至少包含以下兩層含義：首先是發展，再就是發展的可持續性。具體到金屬切削領域的可持續發展，就是既要向高效率、高精度、高柔性、自動化的方向繼續發展，又要采用清潔的切削方法，實現綠色制造。高速干切削既是采用高效率的高速數控加工手段，由此獲得高精度、高柔性，同時又限制使用切削液，消除了切削液帶來的種種負面影響(如增加成本、污染環境、危害工人健康等)，因此它是符合可持續發展要求的先進制造技術。
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、加工過程穩定以及可以加工各種難加工材料等特點，由此產生的經濟效益更是顯而易見，因此，目前高速切削加工的應用非常迅速和廣泛。但隨著高速機床、加工中心切削速度和切削功率的急劇提高，單位時間內金屬切除量大量增加，機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，這不僅加重了切削液的負面作用，而且也產生了新的問題，具體表現在：高速切削時，切削液實際上很難到達切削區，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措施取代切削液在切削過程中的作用，能有效地降低生產成本、改善生產環境，徹底解決切削液對工件微淬火和對刀具熱沖擊的問題，但同時也帶來了切削區溫度升高、刀具磨損加劇、加工質量下降的問題。而高速干切削技術是在高速切削技術的基礎上，融人干切削技術或最小量有效潤滑的準干切削技術，它是結合兩者的優點，并對它們的不足進行了有效補償的一項新興先進制造技術。
從表面上看，采用高切速、大功率的切削方法，單位時間內將產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，由于沒有了切削液的潤滑，刀具也將加劇磨損。而實際上我們在分析了高速切削的一些特性，并通過一些實驗驗證后，發現高切速對實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勢，具體表現在：高速切削速度快，大量的切削熱來不及傳人工件，雖然產生的熱量多，但95%～98%的切削熱已被切屑帶走，工件基本處于冷態。例如，高速切削性能比較好的鋁合金材料，在普通切削中，鋁屑常常會在大量的切削熱作用下部分熔化，粘附在刀具上，嚴重影響工件表面加下質量，而采用高速干切削可使鋁屑在來不及熔化的時候就脫離刀具和工件，一次加工就能達到很高的表面質量。因此高速干切削技術的關鍵在于切削過程中的快速排屑，以及機床、刀具的高溫性能，我們下面就從高速干切削機床和刀具兩方面對高速干切削技術進行論述。
2 高速干切削機床
圖1
圖2
高速干切削對機床的基本要求，首先必須是高速機床，要有較高的切削速度和進給速度，同時結構上要有利于快速排屑，并有較高的熱穩定性。內置的高速電機主軸是機床實現主軸高速運轉的最佳選擇，目前可選的高速主軸轉速從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；快速進給系統可以采用改進的滾珠絲杠或直線電機，進給速度可以達到60～180m/m/min，加速度可達19.6～98m/s2，完全滿足快速進給的需要。因此，在高速機床日益普及的今天，高速干切削對機床的要求主要針對機床的整體結構和輔助設施，機床床身是保證機床穩定性的基礎大件，應采用熱穩定性較好的整體鑄造的框架式或龍門式結構，最好應用絕熱材料“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合材料)，增加絕熱傾斜蓋板。機床整體結構盡量簡單，盡可能采用方便排屑的立式主軸布置，工作間寬敞明亮，內部減少凸臺、凹槽，方便排屑，密閉工作間內增加通風設施。如圖1是MURATEC公司的MW系列雙塔干式車床模型，其主體結構對稱，排屑簡單方便，采用雙主軸平行布置，帶有12刀位轉塔，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計的specht 500T型高速加工中心，這種加工中心最大的特點就是有一個可沿水平軸轉動的工件更換器，利用這種工件更換器，工件在裝料側處于正常位置，而在工作間里則是自上而下懸掛著進行切削，使切屑可以從上面自然落下。其主軸轉速高達25,000～60,000r/min，主電機功率60kW, 帶有液氮冷卻系統，結構簡單，排屑可靠，很適于對鋁合金或纖維增強塑料等進行高速干切削。
#p#分頁標題#e#另外，高速干切削機床還應該考慮以下幾點：(1) 吸塵、排屑裝置：高速干切削機床會產生很多灰塵和細小切屑，可采用真空、吹氣或虹吸裝置來排塵，同時還能起到一定的輔助排屑作用，特別對產生連續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，這時對真空或虹吸裝置的性能、安裝位置就有更加苛刻的要求。(2)測量補償裝置：加工精度要求較高時，采用激光測量系統實時檢測工件的精度，同時可以測定主軸和工件的熱延伸，反饋給進給系統進行相應的補償，進一步提高機床的加工精度。(3)刀具狀態監測裝置：對切削過程的連續性和可靠性有較高要求時，增設刀具監測裝置，實時監測刀具的破損、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
優缺點
典型應用
硬質合金
抗沖擊能力強，價格便宜，但切削速度有限
適用于大多數材料，是應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用
陶瓷
連續切削性能好，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2000℃)，高強度，高抗熱沖擊性能。化學穩定性不如陶瓷
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，不能經受切削區超過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
機床在進行了上述的結構改造和優化設計后，將獲得較好的高速性能和熱穩定性能。其造價與同類的高速機床也相差不大，雖然增加了一些輔助設施，但去掉了冷卻裝置，同時獲得了可觀的經濟和環境效益，具有較高的性能價格比，能夠適應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定性。上表列出的硬質合金、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缺點，適用于不同的應用場合，我們可以依據需要進行選擇。例如切削灰鑄鐵，可以選用氮化硅陶瓷刀具在2,000～4,000m/min的速度下連續切削。當然，高速干切削刀具不僅與刀具材料相關，還與刀具的涂層以及刀具的幾何參數密切相關。涂層的應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，如具有低摩擦系數的晶格雙硫化合物和高溫難熔金屬構成的軟涂層，高硬度、高熱穩定性的金剛石薄膜涂層，以及由多種涂層材料組合構成的納米級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，應用最廣的涂層材料氮鋁化鈦(TiAlN) ，硬度高達HV3500，工作溫度高達799℃ ，而且有良好的抗化學磨損性能，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，提高表面加工質量，能有效延長刀具壽命3～4倍。
#p#分頁標題#e#另外，高速干切削刀具在大多數情況下，都是針對某種材料的具體工藝要求專門設計制作的，這就允許在刀具設計中融入高效冷卻手段或進行刀具結構和幾何參數的獨特設計，如在切削發熱嚴重時，刀具前刀面可加一個液氮循環冷卻裝置，既可降低溫度，又可防止刀具的高溫氧化；又如在大多數情況下，連續的切屑是很難處理的，這時需要設計出合適的刀具斷屑槽或特殊的刀具幾何結構，使切屑自動折斷或控制切屑流動方向，有利于切屑處理。
4 結束語
高速干切削機床和刀具技術是高速干切削實施的重要條件，高速干切削機床必須具備可靠的高速性能，并具有能實現快速排屑的結構和較高的熱穩定性；高速干切削刀具必須使用紅硬性好、熱穩定性好的刀具材料并運用涂層技術。但機床和刀具技術并不能解決全部的問題，隨之產生的新問題還有待于我們進一步對高速干切削工藝技術進行實驗研究。