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正在兴起的干切削技术
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图1 汽车制造业零件加工的单件成本构成

近十年来,人们日益认识到发展干切削(或准干切削)是进一步降低产品制造成本和消除冷却润滑液对环境污染的重要途径。原因是,冷却润滑液的供给、保养和处理以及冷却润滑液设备的折旧等费用约要占到工件制造成本的12%-17%(图1),存在着降低产品成本的巨大潜力。另外,冷却润滑液的大量使用(如在德国,1997年在金属加工工业中约消耗了80万吨冷却润滑液。)是造成环境污染、破坏生态平衡的重要因素。如果经常接触冷却润滑液的反应生成物,会使人们患上肺病和皮疹。在对环境保护受到人们普遍重视、市场竞争日趋激烈的今天,开发和推行干切削技术已成为金属加工工业及其企业的一项迫切任务。
干切削并非只要简单的取消冷却润滑液就可以实现的。由于在切削过程中缺少了冷却润滑液的润滑、冷却和冲屑作用,会导致刀具与工件间的摩擦增大、切削温度升高、粘结加剧和切屑堵塞,从而造成刀具寿命、加工精度和切削效率的下降。
为克服由于缺少了冷却润滑液而造成的困难,需要通过开发和应用耐热的硬刀具材料,合适的刀具几何形状和微量润滑材料,以及通过采用适合于干切削的机床和选择相应的加工参数来解决,保证干切削过程的可靠进行。

图2 干滚铣汽车擒纵轮的经济效益
近年来,在干切削技术的开发上已取得了很大进展,有相当多的干切削工艺已在生产中推广应用。如德国的Liebherr公司在年产130台CNC滚齿机中,“纯干式加工机床”已占14%,“纯湿式加工机床”约占22%,而复合型机床占64%(这种机床只需花一天的时间可改装为干式或湿式加工机床),经生产表明,该机床当采用高速干铣齿轮(目前,采用涂层硬质合金,切削速度可达300m/min ;采用涂层的Cermets,切削速度可高达
600m/min)时单件费用要比湿式铣齿低50%。又如,某工厂在对轿车变速擒纵轮工艺装备进行技改时,决定由原来的湿式加工改造为干切削。为此采用涂层硬质合金滚刀替代原来的涂层高速钢滚刀,切削速度由原来的110m/min提高到了290m/min。这不仅缩短了加工时间,提高了机床的加工能力,而且每件的加工费用降低了43%(图2)。由此可见,采用干切削可以获得很好的技术经济效益。
据目前的技术发展,在工业发达国家的机器制造业中,预计今年干切削工艺的应用可望达到20%。

刀具、刀具材料和涂层


由于干切削时会产生强烈的摩擦和极高的温度(如用硬质合金钻头在调质钢CK45上以Vc=80m/min和f=0.2mm/min进行干切削时,在接触区会达到380℃-410℃的高温。又如干铣钢件时温度通常会超过600℃),所以对用于干切削的刀具要具有较高的高温硬度和耐磨性。目前,用于干切削的主要有立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具材料、钛基硬质合金(Cermets)、硬质合金和聚晶金刚石(PCD)等刀具材料。其中CBN是淬硬钢和铸铁干加工最常用的刀具材料;而氮化硅(Si3N4)特别适合于在断续切削和铸件有砂皮情况下对铸件和球墨铸铁进行干切削; Cermets在硬度上是介于陶瓷刀具和硬质合金之间的刀具材料,它是高速干切削钢件的合适材料。

表1:几种硬涂层和软涂层的性能
  涂层名称 涂层厚度
µm 显微硬度
HV0.05 耐热性
℃ 摩擦系数
硬涂层 TiN 1-5 2100-2600 450-600 -0.4
TiCN 1-5 2800-3200 350-400 0.25-0.4
TiAIN 1-5 2600-3000 700-800 0.3-0.4
TiAICrYN 1-5 2600-3000 -900 0.3-0.4
软涂层   1-4 -1100 -300 <0.2
MoS2 0.2-0.5   <0.2

开发干切削刀具,除了正确选择刀具材料和优化刀具几何参数外,大力发展刀具涂层具有特别重要的意义。通过在刀具基体上的硬、软涂层可以弥补由于放弃冷却润滑液而失去的某些功能。涂层的作用在于在刀具与切削材料之间筑起一道屏障,以阻拦大部分切削热向刀体传导。由于涂层摩擦系数小,减少了摩擦并由此降低摩擦热。在目前已可以通过一系列高温耐磨的硬涂层和润滑性好的软涂层来满足各种干切削工艺的不同要求(表1)。例如,由于TiAlN涂层具有较高的高温硬度和抗氧化性能,所以在切削温度很高的场合,它是最常用的“隔热”涂层,并特别适用于干切削铸铁、钢和不锈钢等零件。而TiCN 只是在较低温度下具有较高的硬度和较好的韧性,故很适合于用作丝锥的涂层,用于干式攻丝。
铣削和车削是一种外加工,切削热和切屑的排除比较简单。而在实心材料上钻孔则是一种内加工,从孔中排除切削热和切屑就比较困难。因此,干钻削是干加工工艺中最难的工艺。但经过多年的开发和实验,目前这个难题已可以通过改进钻头的几何形状和采用硬涂层来解决。如改进排屑槽的横截面形状,使槽口直延伸到柄部、增大排屑槽的螺旋角、采用较大的倒锥、较窄的倒棱和较小的刀刃半径以及采用TiAlN涂层和微量润滑等措施,以减少摩擦和确保可靠排屑。在表2中列出了三种干钻削的成功例子。

表2:钻头在几种干钻削时的效果
刀具 材料 硬质合金
镀层 TiAIN
直径(mm) 5.05 14 三刃阶梯钻8.6/11.0
工件材料 st37 球墨铸铁(GGG70)
QT700-2 球墨铸铁(GGG40)
QT400-18
切削速度 m/min 317 100 86/110
进给量 mm/r 0.4 0.3 0.3
孔深 15 30 42
微量润滑/干加工 微量润滑 微量润滑 干加工
刀具耐用度 m 7 25 280

应该指出,干钻削与湿式钻削相比,前者的优点还在于干切削钻头的寿命要高于湿式切削的钻头。有一个例子,在采用相同切削参数情况下,干切削时钻孔的数量达到2700个,而湿式加工时,因受到由冷却润滑引起温度突变(热冲击)的影响,孔的加工数量仅为1080个,干切削钻头的耐用度提高了2.5倍。
在干切削像铝合金这样的塑性材料时,在刀刃上易形成积屑瘤。目前,在涂金刚石涂层的硬质合金刀具上再涂上滑动和润滑性好的WC/C涂层后,可明显减少了积屑瘤的形成。

图3 加工中心主轴部件上压缩空气和润滑材料的混合装置(XHC241)a.高速主轴;b.双通道回转接头;c.装在主轴中的气-油混合喷嘴;d.装在主轴后端的关闭阀;e.机床控制系统;f.比例阀;g.系统压力(max.0.6Mpa).

微量润滑


目前,对于长切屑的工件材料,纯粹的干切削还不能获得所要求的工件质量和刀具寿命。如在干切削铝件时,由于切削刀具与铝件切屑间易产生粘结,在刀刃上形成积屑瘤。然而当给切削刀刃喷射极少量的润滑油进行“准”干切削时则会获得良好的效果。
微量润滑技术是利用压缩空气与润滑液混合后由喷嘴将其喷射到刀刃上对刀具进行润滑的一种技术。润滑材料的消耗量通常为(5-100)ml/h,并大多采用对环境无公害的例如醇酯和植物油等润滑材料。润滑油和压缩空气是通过安置在主轴后端的双通道回转接头分别引入主轴,在空心锥柄接口之前直接经喷嘴进行混合(图3)。润滑油和空气的流量可以通过NC系统进行编程,以满足不同刀具的切削需要。
微量润滑的主要作用是润滑,借此起到减少摩擦、降低切削热和改善切屑的流动。
采用微量润滑进行“准”干加工,已积累了不少经验并正在生产中逐步推广应用。例如由奥地利Ernst krause & Co 公司为宝马发动机厂设计的一条加工曲轴箱缸孔的自动线,由于采用了微量润滑技术而获得了很好的加工效果。在这条自动线上缸孔的加工分为粗镗、半精镗和精镗三道工序,考虑到润滑材料会对加工效果有重要影响,故在前两道工序采用涂层硬质合金镗刀,用植物油进行润滑,而精加工采用聚晶金刚石镗刀,用醇酯进行润滑。压缩空气和润滑材料在空心锥柄接口前混合后由设置在镗刀容屑腔中的喷嘴直接喷向切削刀刃,以使刀具获得最佳的湿润,从而起到良好的润滑作用。缸孔精加工后,可无需进行清洗而直接将灰铸铁缸套压装到缸孔中。该自动线的运行表明,与湿式加工相比较,技术经济效益是十分显著的。自动线由于省去了冷却润滑系统和清洗设备,使设备的投资减少了22%,分摊的利息和设备折旧费降低22%,以及能源、人员和设备运行等费用节省了11%。

表3:实验时干加工离合器壳体的切削用量
加工工艺 切削速度m/min 进给速度mm/min
钻孔(直径)5.55和9.25mm 87-646 800-7400
挤压攻丝 M6 X M10 75-100 4000-4800
钻铣螺纹 M16 X 1.5 364-641 1120-1440
镗孔 (直径) 46.4 - 67.4 mm 1240-1740 2550
铰孔 (直径) 10 - 6.8mm 314-2136 500-3000
铣削 (直径) 32 - 100mm 1206-3536 4000-8600

目前,基于环保和经济的考虑,大批量生产的汽车厂正在愈来愈多的引入干切削技术。如Ford汽车厂在2000年就拟将离合器壳体和变速箱体的加工由湿式加工逐步转向干切削。加工系统采用Ex-Cell-O公司的12台XHC241高速加工中心,每天以三班制加工230个铝合金薄壁箱体零件,目前集成到系统中的准干加工(微量润滑)机床与湿式加工机床平行配置,通过转载工业机器人将两种加工方式的加工中心连接起来,以后所有机床将逐步转向干式加工。
为了考验干加工在大批量生产中的过程可靠性,Ex-Cell-O和Ford两个公司曾对离合器壳体(AlSi9Cu3)的准干加工进行了实验,实验是在高速加工中心XHC241上进行的,以便能采用较高的切削速度和进给速度(表3),实验结果表明,干加工时工件的温升(4K)虽比湿式加工的2K高出一倍,但温度分布均匀,夹具和机床温升很低。从而保证了±0.025mm的孔间距公差和Cpk=1.67的工序能力指数。

图4 适合于干加工的加工中心(XHC241)a.装有供内部味量润滑装置的主轴;b.适合于干加工的工件夹具;c.适合于干加工的较徒排屑表面(>55度)和无凸起的棱边和螺栓的机床加工区;d。隔热的机床床身;e.装有冷却系统的直线电机驱动装置;f.配置在中央的排屑装置;g.水平布置的刀库

干加工机床


干切削时,为避免高温切屑对机床热变形的影响,采用适合于这种加工的机床是确保工件加工精度的重要条件。在这类机床的加工区为能顺利排屑,床身呈V型,角度大于55°,在加工区不应有妨碍排屑的凸起的紧固螺栓。为进一步避免切屑的温度影响到机床的热变形,机床床身的盖板还可采用双层壁结构来进行隔热。
对于采用直线电机驱动的高速加工中心,还需要安置冷却系统,以提高机床的热稳定性。
由于取消了冷却润滑液的冲洗作用,特别在加工铸铁和轻金属时会产生大量的粉尘和细切屑,为防止这些磨粒的沾污,在加工区除需要采取密封和屏蔽设施外,还设置了抽吸装置,以有效地吸走粉尘和多余的微量润滑油油雾。
干加工机床往往安装有微量润滑系统,这在加工铝合金和镁时,以便能防止积屑瘤和提高工艺过程的可靠性。

结束语


追求生态效益和经济效益是推动干切削技术发展的主要动力。近10年来,由于超硬刀具材料,特别是刀具涂层材料的发展,刀具几何形状的改进和微量润滑材料的应用,以及适合干切削机床等相应配套设备的开发有利地推动了干切削技术的迅速发展。
干切削技术经过多年的开发和实验,目前已进入了实用化阶段,当今相当多的切削加工工序已完全可以用干式或通过微量润滑来解决。
随着干加工工艺过程可靠性的不断提高,干加工正在逐步进入机械加工业,特别是愈来愈多地进入汽车工业等大批量生产领域。

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