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干切削机床与刀具技术 浏览:
文章来源:中国刀具信息网  添加人:阿刀   添加时间:2013-08-08
摘要:干切削作为21世纪的一种清洁、高效、安全的新的切削工艺,不仅降低切削成本,而且避免了切削液对环境的污染。本文介绍了干切削发展的时代背景、原因并对干切削机床、干切削刀具和最小润滑等关键技术进行了研究。
人类社会已经迈入21 世纪,切削加工作为制造技术的主要基础工艺,随着制造技术的发展,进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。其主要趋势有四个方面:(1)高速切削将成为切削加工的新工艺。(2)实现难加工材料(如奥氏体不锈钢、高锰钢、淬硬钢、复合材料、耐磨铸铁等)加工技术的重大突破。(3) 满足制造业对切削加工新技术和新产品需求。(4)环境保护对切削加工行业提出要求。实行“绿色工程”, 开发“绿色制造技术”是新世纪切削加工发展的重要课题。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害将成为治理重点。而随着高速加工技术的发展和广泛应用,切削液用量越来越大。高生产率的生产企业中切削液在生产成本中所占比例上升为13%至17%,因此高速切削派生的干切削应运而生,为新世纪提供一种清洁、高效、安全的新的切削方法,是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面更新。干切削的关键技术包括:干切削机床、干切削刀具、刀具涂层技术、以及最小润滑技术等等。

1 干切削机床技术

干切削机床是从湿切削机床发展而来,抛弃了湿切削机床污染环境的缺点,必然导致了其整体结构及布局的变化。主要体现在其对机床的隔热性能、排屑速度、吸尘效果和机床的基础件的三刚性要求等各方面有了更高的要求。

(1)干切削下机床面对的挑战

切削液的主要作用是:冷却、润滑和排屑。由于没有切削液,干切削会产生以下几种情况:①切削过程中会产生比湿切削更多的热量,而这些热量主要集中在切屑中,如不及时地从机床的主体结构中排出,就会使机床产生严重的热变形,影响工件的加工精度和机床工作的可靠性。②在干切削石墨电极等材料时会产生大量粉尘,如不能及时清除,会对操作工人的身体健康造成严重损害,同时细微颗粒也会侵入丝杠、轴承等关键部件,加大机床的磨损以及影响机床的加工精度和可靠性。③由于没有切削液的润滑,干切削中的切削阻力会大大增加,相应的振动会增加。


干切削机床的基本布局

(2)干切削机床的特性

由于干切削会产生前面所提到的情况,所以,干切削机床必须具有良好的散热、排屑及吸尘装置和具有良好三刚性的基础部件。为了排屑方便,干切削机床应尽可能采用立式主轴、倾斜式床身。工作台四周采用倾斜的隔板,有助于热切屑坠入排屑槽中,排屑槽采用隔热材料,防止切屑热量传给机床部件,而且排屑槽输出速度要快。而堆积在机床工作台和其它支承部件上的热切屑会造成机床的热变形,所以需要一个吹气系统直接作用在工作台和夹具上,加速切屑坠入排屑槽中。由于干切削会在加工区产生非常高的热量,会影响切屑的成型。过热的高温会导致形成带状和缠结状的切屑,影响加工精度和降低工件表面质量。所以还有必要在加工区设置温度传感器,用以监控机床温度场的变化情况。为了防止粉尘集聚,在加工区应具有抽风装置,将加工产生的粉尘抽出到机床外部的过滤装置,避免污染环境。机床的基础件(即立柱、床身、工作台)的静刚度、动刚度和热刚度要大。如床身可采用人造花岗岩等新材料整体制造,不仅三刚性好,而且减振效果明显。干切削机床的基本布局如图所示。

2 干切削刀具

干切削由于不使用切削液,在加工区会产生比湿切削更多的热量,同时工件材料的粘性也会加大。这些因素会大大缩短刀具寿命和降低工件表面质量。所以干切削刀具在干切削过程中具有举足轻重的地位。干切削刀具材料不仅要有很高的红硬性和热韧性,还必须要有良好的耐磨性、抗热冲击和抗热粘性。对刀具材料、涂层技术、刀具结构和几何参数有更高的要求。

(1)干切削刀具材料

陶瓷刀具(Al2O3, Si3N4)、金属陶瓷(Ceramet) 等材料的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,故不适用于进行断续切削。也就是说,陶瓷刀具较适用于进行干车削而不适用于干铣削。立方氮化硼(CBN)、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日益广泛使用于干切削。

(2)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。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。例如,日本三菱重工业公司的CNC GIVIDA滚齿机是日本第一台采用全干切削技术的机床,用涂特殊钛的高速钢滚刀。而德国柏林大学进行的采用PCD涂层刀具(HC+PCD)和未采用涂层的刀具(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)。研究使用了原子力显微镜来分析刀具的内部晶体的形态、特征、孔隙度以及分层粗糙度。从PCD涂层的原子力显微镜照片看出其晶体具有规则的排列结构。研究得出PCD涂层刀具的耐磨性好于未涂层的刀具。PCD涂层较小的摩擦系数意味着它较适合干切削。
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。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”,它与工件材料的摩擦系数很低,只有0.01左右,能减少切削力和降低切削温度。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MoS2涂层的丝锥可加工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”涂层结合起来可去得更好的效果。如表所示对热处理钢钻孔的实验结果表明,TiAlN+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。
涂层对刀具寿命的影响
  刀具寿命 比涂层TiN改进程度
TiN 1000  
TiAlN 2400 240%
TiAlN+MOVIC 4000 400%
注:该实验条件是采用0.3346英寸(8.5mm)金刚石钻头、钻削深度1.0英寸(25.4mm)、线速度为395英尺/分(120m/min)、进给量为0.07英寸/转(1.78mm/r)。

(3)干切削刀具的结构和几何参数

采用干切削还应根据不同的加工条件考虑优化刀具的结构和凡何参数。刀具的儿何参数和结构设计必须满足十切削对断屑和排屑的要求。众所周知,断屑槽在韧性材料加工中对断屑起着很关键的作用。可针对不同的工件材料和切削用量,设计相应的断屑槽结构与尺寸,提高切削工程中切屑折断能力和对切屑流动方向的控制能力。而在封闭空间进行干切削(如干钻削、干铰削、干攻丝等)时,则应增大刀具的容屑槽空间和背锥的锥度。例如德国的WZL(Werkzeugmaschinenlabor-RWTH Aachen)试验得出,在用硬质合金钻头(HC-P+涂层TiN)干钻削回火钢[Ck45K(AL-Si1045)],孔深30mm孔径11.8mm,切削速度:vc=80m/min,每次进给量f=0.2mm时,标准钻头只能钻削约400个孔,而经过优化加宽钻头排屑槽几何形状的钻头可钻削高达2200个孔,优势明显。
另外,干切削还可采用一些特殊的刀具(如热管刀具和自冷却刀具)来降低刀具温度,提高刀具的耐用度。

(4)准干切削与最小润滑技术

近年来干切削急速发展,在对不能用纯粹的干切削加工的材料加工时,可采用最小润滑技术(Minimal quantities of lubrication (MQL) )进行切削.这种使用微量冷却液的方法被称为“准干切削”。“汽束”喷雾冷却切削就是一种典型的“准干切削”。该方法是将一定压力(0.3~1MPa)的压缩空气与微量的润滑液(50~125ml/h)混合雾化后形成油雾,然后高速喷射到切削区,对加工接触面进行充分有效的润滑,同时液体气化吸收大量的热量,工件仍然保持表面干燥团。MQL 方式分以下三种:1)内部润滑;2)外部润滑;3)介质润滑。
众所周知,高速铣削铝合金、铜合金等轻合金具有切削力和切削功率小、切屑短、切削不蜷曲等独到的优势。用涂层硬质合金、多晶金刚石等刀具在高速下切削轻合金材料,刀具磨损小,可以达到很高的刀具寿命;而在切削熔点低、高速下粘性大的材料则需要采用最小润滑(MQL )和涂层刀具的方法,在近乎完全干切削的情况下,可采用很高的切削速度和进给 速度进行加工,切削速度可高达1000~7500m/min,不用再经过任何加工或手工研磨,零件即可得到很高的表面质量。例如德国的(Werkzeugmaschinenlabor-RWTH Aachen)试验得出,采用硬质合金刀具[HC+涂层(TiAlN+MoS2)]钻削铝合金(AlSi9Cu3) , 孔径8.5mm,盲孔(blind hole)深30mm切削速度vc=300m/min ,每次进给量f=0.5mm该实验中进行完全干钻削的刀具只加工了16个孔,而采用了MQL技术的刀具加工了128个孔,是前者的8倍之多。由此可见在加工铝合金时,完全有必要采用MQL技术。

3 总结和展望

干切削作为一种新的切削工艺与高速切削是相辅相成的。它不仅降低了切削成本,也避免了环境的污染。干切削技术是一项系统工程,涉及刀具、机床、工艺、材料和生产管理诸多方面的改革和创新。必须强调一点,干切削是把切削刀具、加工中心结构参数和加工策略等要素综合于一体的加工新工艺。针对不同的切削条件和切削材料应充分权衡以上三要素在可节约的加工成本和可得到的加工效果间的利弊,然后制定正确的加工方案。各种超硬、耐高温刀具材料及其涂层技术的迅猛发展,为干切削技术的发展创造了极为有利的条件;最小量润滑装置的有效应用和各种带中心小孔的孔加工标准刀具的出现,再与新型机床相结合,必将促进干切削技术的迅猛发展。