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1、干切削加工技术,机械电子工程 2012.11.16,干切削加工技术的产生背景 （1）制造业对环境的影响,（2）可持续发展对制造业的约束 1. 人类享有追求健康而富有生产成果的生活权利，但必须坚持与自然的和谐； 2. 人在创造和追求今世发展与消费的时候，应承认并努力做到使自己的机会与后代人的机会相平等。,（3）绿色制造是可持续发展的必由之路,干切削加工的内涵 干切削加工就是在切削过程中，在刀具与工件及刀具与切屑的接触区不用切削液的加工工艺方法。 干切削不是简单地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品质量、高的刀具使用寿命及切削过程的可靠性。 不使用切削液的干切削并不能简
2、单实现，因为切削液起着三个重要作用：1）吸收和带走大量切削热，使传入刀具和工件的切削热非常少；2）在刀具与工件以及刀具与切屑接触界面上形成润滑膜，既减少摩擦又抑制切屑粘连到刀具上；3）把切屑迅速冲走。 干切削技术是一项庞大的系统工程，需要从刀具技术、机床结构和工艺过程等各方面采取一系列的措施。,干切削加工的特点 由于不用切削液，因而可以完全消除切削液带来的一系列负面效应，与湿切削相比它具有以下优点： (1) 切屑干净、清洁、无污染，易于回收和处理； (2)省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等费用，简化了生产系统，节约了生产成本； (3)省去了与切屑处理有关的费用； (4)不污染环境，也不发生
3、与切削液有关的安全及质量事故。 与相同条件下的湿切削相比，干切削缺点： (1)切削加工能耗增大，切削温度增高； (2)刀具/切屑接触区的摩擦状态及磨损机理发生改变，刀具磨损加快； (3)切屑因较高的热塑性而难以折断和控制，切屑的收集和排除较为困难； (4)加工表面质量易于恶化。,干切削加工的关键技术 干切削技术是一项庞大的系统工程，需要从刀具技术、机床结构和工艺过程等各方面采取一系列的措施。 （1)干切削加工刀具 干式切削刀具必须满足以下条件:1）刀具材料应具有良好的耐热性和耐磨性；2）切屑与刀具之间的摩擦系数应尽可能小；3）刀具的槽型应保证排屑流畅、易于散热；4）刀具应具有较高的强度和抗冲击
4、韧性。下面分别从刀具材料、涂层和几何形状三个方面讨论。 1）采用新型的刀具材料 干切削不仅要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性。目前应用于干式切削加工的刀具材料主要是:超细硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬度材料。,TiCN：碳氮化钛 TiALN：氮化铝钛 AL203: 氧化铝 SI3N4: 氮化硅 Connet：金属陶瓷 Carbide：硬质合金 HSS：高速钢,2)采用涂层技术 涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层还可以减少摩擦
5、来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。 3)刀具几何形状设计 干切削刀具通常以月牙洼磨损为主要失效原因，这是因为加工中没有切削液，刀具和切屑接触区域的温度升高所致。因此，通常应使刀具有大的前角和刃倾角，但前角增大后，刀刃强度会受影响，此时应配以适宜的负倒棱或前刀面加强单元，这样使刀尖和刃口会有足够体积的材料和较合理的方式承受切削热和切削力，同时减轻了冲击和月牙洼扩展对刀具的不利影响，使刀尖和刃口可在较长的切削时间里保持足够的结构强度。,下图是一种热管式刀具也可以获得较理想的干切削效果。它们的结构与普通车刀基本相同，所不同的是在刀
6、杆体内部制成了热管。热管内的工作介质一般为丙酮、乙醇和蒸溜水三种。热管是一种高效的传热元件，它利用的是沸腾吸热和冷凝放热这两个最强的传热机理，热管的热导率是相当的银、铜棒的几百倍。热管刀具是一种自冷却刀具，故无需再从外部浇注切削液，尤其适合于在数控机床、加工中心和自动生产线上应用。,热管式刀具结构,(2)干切削的机床技术 研制干切削机床是实现干切削的重要手段之一。这种机床应该刚性足、功率大、能快速有效地排屑，同时能利用软件系统补偿温度对加工的影响。 设计干切削机床应考虑的两个特殊问题： A 切削热的迅速散发； B 切屑及灰尘的快速排出。 (3)干切削的工艺技术 工件材料在很大程度上决定了实施干
7、切削的可能性。改善材料的可加工性、减少切削过程中的变形和摩擦产生的热量，是发展干切削的一项关键技术措施。 现已经采用的干切削加工工艺有：低温冷风干切削技术；高速干切削技术；低温干切削技术；静电冷却干切削技术；准干切削技术等。,干切削的工艺方法研究 （1）完全干、准干切削 通常将在切削区中完全不使用或不直接使用任何切削液的切削加工称为完全干切削；采用各种方式将少量的切削液直接施于切削区的加工方法称为准干切削。 1）完全干式切削 车削、铣削、滚齿等加工应用干切削较多，因为这些加工方法切削刃外露，切屑能很快离开切削区。而封闭式的钻削、铰削等加工，干切削就相对困难一些，不过目前已有不少此类孔加工刀具出
8、售，比如德国Titex公司提供适用于干切削的特殊钻头Alpa22，其钻深与直径之比达到78。 就工件材料而言，铸铁由于熔点高和热扩散系数小，最适合进行干切削，钢特别是高合金钢干切削较困难。对于难加工材料，则可使用激光辅助进行干切削。,在特殊气体氛围中进行干切削 干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中（氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术）不使用切削液进行的切削。试验表明，在某些特殊气体氛围中进行干切削加工，有利于减少刀具磨损，从而发展成为干切削技术的另一分支。 A 在氮气氛围中进行干切削（吹氮加工） 氮气是不燃性气体，如果切削加工在氮气氛围中进行自然不会起火，这对干切削加工具有
9、易燃性的镁合金很有意义(湿切削加工时镁屑处理是个难题)。氮气氛围抑制刀具的氧化磨损，可保护刀具涂层和防止切屑粘连到刀具，能提高刀具的耐用度。 B 干式静电冷却技术 这是原苏联在上世纪80年代发明的干切削技术，其基本原理是通过电离器将压缩空气离子化、臭氧化(所消耗的功率不超过25W)，然后经由喷嘴送至切削区，在切削点周围形成特殊气体氛围。这样不仅降低切削区的温度，更重要的是能在刀具与切屑和刀具与工件接触面上形成起润滑作用的氧化薄膜，并使被加工表面呈压缩压力(可增加零件使用寿命)。,C 冷风干切削 冷风切削加工的简单工作原理和设计方案是：让低温冷风射流机生成的干燥低温冷风（-30-50）（或混入非
10、常微量的植物油），并喷射到切削点，对刀具的前、后刀面实施冷却、润滑和排屑以降低切削温升，同时引发被加工材料的低温脆性，使切削过程较为容易，并相应改善刀具磨损状况。该系统主要由：空气压缩机、低温冷风射流机、微量油雾化器、喷射器、刀具等机构组成。,采用低温冷却气对刀具降温 目前干式切削技术还不完善，往往还需要辅助压缩空气（液氮等）、冷却气降温，有时候还会用到少量润滑油或喷雾润滑。 液氮冷却切削主要有两种应用形式，一种是利用瓶装压力将液氮像切削液一样直接喷射到切削区；另一种是利用液氮受热蒸发循环来间接冷却刀具或工件。氮气是大气中含量最多的成分，氮气作为制氧工业的副产品，资源十分丰富，由于液氮使用后直
11、接挥发成气体返回大气中，因此不会留下任何污染。,冷却气降温是国内近几年新兴的刀具降温方式，也称作干式冷却。它通过涡旋管(vortex tube)将常温下的压缩空气降低到零下1020之间。由一个单头、多头或扁平万象管输送冷空气直接吹向刀具和工件的接触表面，降低温度，减少热冲击。或混入微量的植物性润滑剂(每小时1020ml)，从而起到降温、排屑、润滑的作用。 涡旋管的工作原理：压缩空气(0.550.69MPa)经过发生器的螺旋口进入涡旋管的腔体内，形成1000000r/min的高速涡旋气流流向尾端。此过程中释放出巨大的热能，使腔体表面温度急剧升高。到达尾端的涡旋气流经过锥形排气阀，排出少量的压缩空
12、气并带走大量的热量。剩余的涡旋气流沿排气阀的锥形表面调转180由腔体另一端流出，此时的涡旋气流因为已经释放出了大量热能，自身温度非常低，通常能下降到-10左右。而在实验室环境中最低温度能下降到-46的低温，是局部降温的最佳方式。,涡旋管工作原理示意图,涡旋管生产-10低温气体，表面结冰,配备过滤器和消音器的机箱冷却器,2）采用MQL润滑的准干式切削 对于某些加工方式和工件材料组合，纯粹的干式切削目前尚难于在实际生产中使用，故又产生了极微量润滑（Minimal Quantity Lubrication，简称MQL）技术。MQL是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并油雾化，然后一起喷向切
13、削区，对刀具与切屑和刀具与工件的接触界面进行润滑，以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同时也冷却了切削区（油雾在切削区汽化也会吸收不少切削热）并有利于排屑，从而显著地改善切削加工条件。MQL技术使得切削过程中，切削工作处在最佳状态下(即不缩短刀具使用寿命，不降低已加工表面质量)，切削液的使用量达到最少。,在钻孔过程中，MQL系统向刀具尖端喷射出小滴的冷却液,（2）硬态切削 硬态切削主要指利用高性能刀具对淬硬工件（5565HRC）的切削加工。目前硬态切削主要用于车削加工中，可作为淬硬钢的最终加工或精加工，即实现以车代磨。 （3）高速干切削 高速干切削是1931年德国物理学家Carl. J. Salo
14、mon提出的。高速干切削是一个相对的概念，根据被加工材料、加工方式的不同，亦有不同的范围，通常指切削速度超过传统切削速度510倍的切削加工。 在生产中，高速切削铝合金的切削速度范围为20007500m/min，铸铁为9005000m/min，普通钢为600800m/min；进给速度高达2040m/min.高速干切削技术有以下特点： A 生产效率高 B 加工质量好 C 生产成本低,干切削加工技术的应用 （1）干车削加工 根据加工对象的特点，加工过程中采用的辅助措施的不同，可将干车削分为硬车削、低温冷却干车削和激光辅助干切削。,（2）干铣削加工 1）铸铁与钢件的干铣削加工 美国Leblond Ma
15、kino公司研发的“红月牙”(Red Crescent)铸铁干切削技术就是利用陶瓷或CBN刀具进行高速铣削加工。由于切削速度和进给量很高，产生的热量很快聚集在刀具前端，使该处的工件材料达到红热状态，其屈服强度下降，可大大提高切削效率。通常铸铁的金属切除率为16cm3/min，而采用红月牙干切削加工可使其提高到149cm3/min。 2）铝合金的干铣削加工 美国Turchan公司研制了一种用于铝合金开口零件平面铣削的机床，并配有获得专利的真空系统，排屑非常流畅。 美国Big Three公司安装了八台高速(15000rpm)金刚石干切削加工系统，用以加工变速箱上的铝通道盘，加工精度为0.05，每小
16、时加工600件，与以前的磨削加工方法相比每年可节约经费达百万美元。,（3）干钻削加工 钻削加工时，钻头处于半封闭空间中，钻削产生的热量也聚集在这里，同时切屑也必须从孔中排出，因此，干钻削就显得更为困难。 德国Guhring公司开发了一种新型M-涂层，即在硬涂层外面再加涂一层软涂层，利用该钻头对发动机中的铝制零件进行了高速干钻削加工研究，取得了显著的经济效益。 日本Syun-ichi Yamagata研究开发了钢材的干式挤压丝锥，与普通的湿式挤压丝锥相比，可显著提高丝锥寿命。,山特维克CoroDrill 880 干式钻削实例,材料：低碳钢 （CMC 02.1） 一个使用固定钻的中心孔 8个使用旋转钻的孔 钻直径20.0 mm3 直径，h -GM 槽形 钻 880-D2000L25-03 刀片 880-040305H-C-GM 880-0403W05H-P-GM 切削参数，固定钻l vc 180 m/min fn 0.18 mm/r vf 745 mm/min 切削参数，旋转钻 vc 180
