干式、半干式和低温冷风
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| 【摘要】介绍了干式、半干式切削的发展趋势，切削机理以及低温冷风切削加工技术的特点。 【关键词】清洁加工、干式切削 、 半干式切削 、低温冷风切削 一、干式、半干式切削的发展 1、金属切削加工业的主要课题 随着数控化的普及、刀具制造技术的提高，金属切削机床的加工效率越来越高，切削液的用量也越来越大；那种简单地依靠加大切削液用量去降低切削温升的办法巳不能满足生产的需要。切削液是金属切削加工业的主要污染源，这些有害液体的随意排放、粘附在切屑上的露天放置、加工时的飞溅、升腾、长时间的泄漏，最终将污染到饮用水源。 90年代初，发达国家的专家们围绕金属切削加工过程对环境的影响问题，进行了认真的研讨，各国政府都拔专款资助以代替油剂切削为目的干式切削加工技术的研究。 1996年9月，ISO14000环境标准在欧洲通过以后,各国政府都加大了因切削剂污染的处罚力度，并制定了非常严格的切削废液管理、限制措施，甚至连切削液洒落在机床外部都是不许可的，因此，这些国家与切削液有关的费用在逐年增加。例如：日本专业切削废液处理部门每升废液处理收费已高达1.5元人民币，使得机械零件的加工成本逐年上升。在此形势下，不使用切削剂的加工技术就成为发达国家金属切削加工业所面临的主要课题；人们在寻找既能改善加工环境、节约能源，又能提高效率、降低成本的加工方法。 2、干式切削加工法 从金属切削加工技术诞生的那一天起，就有了干式切削和湿式切削的方法，而湿式切削因能够获得理想的切削效果，被人们广泛运用，以解决传统干式切削不好解决的问题。一般认为：切削剂主要具有：润滑、降温、排屑等三个作用。现代干式切削技术，要不使用切削剂，就必须找到既能替代这三个作用，又能满足加工要求、改善切削条件的方法。 目前，国际上流行的不使用切削剂的切削方法主要有： a、完全不使用切削剂的---全干式切削（高速干式切削法） b、用气体混合微量润滑剂代替切削剂的---半干式切削 3、全干式切削法的特点 全干式切削法，也叫高速干式切削法，它是让主轴在非常高的转速下运转(通常在2～6万转/分)，用高强度刀具、很少的吃刀量进行超高速切削，这种方法切削热90﹪以上被切屑带走， 它通过机床超高速运转、切削条件的改变来完成无油化加工，效率非常高。目前，德国处于国际领先水平，欧、美国家较为流行。据2001年统计，德国巳有8%左右的企业采用了这一技术，预计到2003年德国将有20%以上的企业采用这一技术。 4、半干式切削法的特点 半干式切削法是用气体加微量无害油剂代替切削剂的切削方式，目前，常见的有：MQL(微量润滑)切削、氮气流切削和低温冷风切削。这种方法，日本用得较多，据统计：19届(98年)东京国际机床展览会上，日本参展的69台机床中有43台具有半干式切削功能。以下是常见的几种半干式切削法 a、MQL（微量润滑）切削 一种国外较为流行的半干式切削方法，它在压缩空气中混入微量的无公害油雾，代替大量油剂对切削点实施冷却、润滑和排屑。 b、氮气流切削 是在压力作用下，将氮气发生装置所生成的氮气送入切削点，代替大量油剂的切削方法。 c、低温冷风切削 将压缩空气的温度降低到 -20℃～-30℃，并混入微量润滑剂对切削点实施冷却、润滑和排屑的方法，这种方法与MQL切削不同的是它可以将切削点的温度降低。 二、切削与温升 1、切削温升是刀具磨损的主要原因 一般认为，刀具的磨损与如下因素有关： a、机械擦伤 在切削加工时，工件或切屑上的碳化物、积屑瘤碎片等硬质点，对刀具刃部产生的机械擦伤磨损，在刀具高温状态，材料相对变软，这种磨损将会加剧。 b、刀具与工件材料的粘结 在切削过程中，尤其是在切削塑性金属材料时，切屑的撕裂过程、刀具的前刀面与切屑、后刀面与工件表面都会产生较大的压力和热量，这些压力和热量，使工件材料与刀具材料之间产生吸附作用，刀具刃部强度较低的微粒容易被切屑或工件带走，造成刀具的磨损或崩裂。 c、合金元素的相互扩散 在切削温度较高时，刀具与工件之间的合金元素会相互扩散，使刀具材料的物理、力学性能降低，并加速刀刃的磨损。 d、金相组织的变化 当刀具温度高于材料的相变温度时，高温部位的金相组织就会发生变化，例如：马氏体转变为奥氏体，使刀具的硬度下降，合金工具钢的相变温度为300℃～350℃，高速钢的相变温度为550℃～600℃，刀刃温度超过这个范围后，刀具的切削性能会迅速下降，并加剧磨损。 上述四项因素都与切削温度升高有关，因此，控制切削点的温升，对缓解刀具磨损具有重要意义。 2、切削剂的使用 为了控制切削温度的迅速升高，传统的方法是给切削区注入大量冷却剂，通过这些液体对发热点实施：冷却、润滑和排屑。但是，切削剂过量会产生环境、成本和加工不便等一系列问题。 事实上切削剂的使用对刀具也有不利之处，美国密西根工艺大学的研究表明：当切削速度达到130米/分时，如果给切削点加注切削剂，会出现加注过程没有连续性和冷却不均的现交替变化，这对刀具的使用非常不利。 3、切削与热传导 金属切削时，工件受刀具的切割和推挤发生弹性变性和塑性变形，使切屑分离，产生大量的热量，其中，第一变形区产生的热量最大。 从传热学角度讲，切削过程中刀具的温升主要受如下条件影响： 热量=接触面积×传热系数×温差×时间，式中： 减少吃刀量=减少刀具与热源的接触面积 加大冷却介质的流速=增大传热系数 降低冷却介质的温度=增大温差 提高机床转速=缩短刀具与热源的接触时间 因此，控制这些条件对降低刀具温升具有重要意义。 4、干式、半干式切削控制热传导的方法 全干式切削主要是通过提高工件或刀具的运转速度、尽可能减少，刀具与工件发热区的接触时间和接触面积的方法来控制热传导的，这种方式，撕裂下来的切屑很薄，并以极快的速度脱离工件、把热量带走，效率非常高。 半干式切削是靠加大冷却介质的流速、增大冷却介质与发热区的温差和增大冷却面积的方法来控制热传导的。也达到了降低温升的目的。 三、低温冷风切削法 1、低温冷风对刀具寿命的影响 如前所述，切削点的温升对刀具寿命的影响很大。低温冷风切削法向加工部位喷射--20℃～--30℃的低温气流、并混入非常微量的植物性润滑剂(每小时10～20毫升)，把油剂的作用分开，让微量油雾润滑、低温气流降温和排属。切削点低温化，不仅使工件材料局部变脆，有利于切屑的撕裂、降低切削负荷，同时也防止了刀具自身的软化，减少了与工件之间的摩擦、粘结、扩敖和相变磨损，使刀具寿命得到提高，尤其适合钛、镁、钼、铝、不锈钢等难切削材料和薄壁材料的加工。 2、低温冷风对加工质量的影响 在金属切削加工过程中，工件温度的高低对表面加工尺寸的稳定影响很大。试验证明，低温冷风切削时，工件和刀具的温升低，切削阻力减小，刀具磨损量小，并且，切削点的温度相对平稳，加工表面残余应力小，质量容易保证。在最近进行的试验中，成都宁江机床集团，使用低温冷风切削技术、金刚石刀具超精加工铝合金，表面粗糙度高达Ra0.05微米，已接近镜面(老标准▽12级) 。 3、低温冷风切削的优点 干式、半干式切削被称为新世纪的切削技术，而低温冷风切削技术又是最适合我国国情、最为实用的一种，它有如下优点： ●几乎无传染，改善生产条件； ●节约切削剂采购费，降低成本； ●切屑可以直接回收，增加效益； ●没有切削剂、有利操作、检测和监控； ●无需考虑针对加工温度变化所实施的尺寸补修，质量稳定； ●刀具寿命可以成倍延长，降低成本、缩短机床准备时间； ●有利于钛、镁、镍铬合金等难切削材料的加工； ●加工效率可以成倍提高 (据介绍：低温冷风车削可以提高效率1倍，低温冷风磨削可以提高效率3～4倍，低温冷风钻削(内冷方式)可以提高效率20倍以上)； ●有利于企业IS014000和IS016000标准的认证 |
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