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1、重庆大学研究生绿色制造现状及发展趋势论文学 生： 学 号：20120702017上课教师： 专 业：机械制造及其自动化类 别：学术型研究生重庆大学机械工程学院目录1.高速干式切削的原理11.1引言11.2 高速干式切削加工技术的提出及发展11.3 高速干式切削加工的形成21.4高速干式切削定义及优点32.实现高速干式切削加工的关键技术42.1 高速干式切削加工机床技术42.2 高速干式切削加工刀具技术52.3 高速干式切削加工参数的选择82.4 高速干式切削加工辅助技术83.高速干式切削加工技术的应用事例84.前景展望105结束语10 致谢 11 参考文献 11高速干式切削1.高速干式切削的原
2、理1.1引言 制造业是人类社会的传统产业，它的历史可以追溯到远古时代，人们磨制石器、铜器和铁器用来捕猎。制造业为人类社会带来物质财富的同时，又给环境造成了严重的污染。而切削加工作为制造技术的主要基础工艺，是产生污染的重要原因之一。 金属切削加工方法有湿式和干式切削法之分。目前采用最多的是湿式切削法(即在金属切削加工时，用一定压力和流量的液体(切削液)连续不断地冷却、润滑刀具和工件加工部件的方法)。这种方法已经使用多年，通常在金属切削加工时使用切削液主要有3个功能：润滑作用，冷却作用，清洗和排屑作用。这些功能对工件已加工表面质量和刀具耐用度具有明显的影响。随着高速切削加工技术的迅猛发展，加工过程
3、中切削液的用量越来越大，有时高达80-1OOLmin。但大量使用切削液造成了许多负面影响，主要表现在以下几个方面： 1)增加了制造成本。据国外许多统计资料表明，切削液及切削液的供给、保养、回收及切削废液的处理等费用加在一起，占总制造成本的13-17，而刀具消耗的费用仅占制造成本的2-4。 2)造成了环境污染问题。切削液是金属切削加工中造成环境污染的一个重要根源。如乳化液不仅含有油，而且含有烧碱、油酸酯、乙醇和苯酚等有害物质。如果这些切削液未经处理直接排人外界，会对环境造成严重污染。3)直接危害操作工人的身体健康。切削液产生的油烟会引起工人肺部和呼吸道的多种疾病。切削液与人体直接接触会诱发多种皮
4、肤病。 随着制造技术的发展和环保意识的提高，发展以绿色无污染的高速切削工艺和加工方法成为人们追求的目标。在这种背景下，取消或减少切削液和润滑剂的使用已成为金属切削工艺发展的必然趋势，于是高速干式切削工艺的研究便应运而生，高速干式切削的概念逐步形成。1.2 高速干式切削加工技术的提出及发展 从20世纪90年代开始，国外对干式切削技术进行了大量研究，1995年干切削的科学意义被正式确立，1997年的国际生产工程研究会(CIRP)年会上，德国Aachen工业大学的FKlocke教授作了“干切削”的主题报告；1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPA
5、L公司的总裁BPErdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告。1 干式切削自1995年被正名至今，欧洲、美国和日本等工业发达国家非常重视它的研究。干式切削技术已经成功应用到了生产领域，取得了良好的社会效益和经济效益。世界许多知名的机床厂商在他们的目录中都有干切削机床加工中心。德国在干式切削领域中处于领先地位，德国企业在大批量生产中已有10-15的加工采用干式切削，并且取得了良好的经济效益。预计到2008年以后会有20以上的企业采用干式切削技术，这预示着干式切削技术是未来切削加工发展的一个方向。在我国，干式切削技术的研究也已起步，并取得了不少研究成果。为了跟上国际形势，顺应世界切削技术的发展
6、趋势，我国应加快对干式切削技术的研究。1.3 高速干式切削加工的形成 干式切削是一种在加工过程中不使用切削液的加工方法。但是，在干式切削加工中，由于切削过程缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用，相应地会出现以下问题： (1)由于缺少切削液的润滑作用，干式切削加工中的切削力会大大增加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工表面质量变差，刀具磨损加快，刀具使用寿命缩短。 (2)由于缺少切削液的冷却作用，干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环境会导致形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。 (3)会由于摩擦使工件和刀
7、具的温度升高，导致刀具磨损加快，工件产生残留应力，刀具和工件发生热变形，表面质量降低。 (4)无润滑作用，会使刀具分屑困难，切屑堵塞容屑槽，还可能损坏已加工的工件表面。 (5)对于机床本身，如不及时将热量从机床的主体结构中排出，由于不能保持热平衡，机床的床身、立柱等构件也会因温度变化而产生细小但不容忽视的变形，影响加工精度和降低工件表面质量。 (6)切屑如不及时排除，残留切屑可能导致夹紧误差、损坏机床导轨等等。而在工艺相同的情况下，高速切削加工存在以下优势： (1)随着切削速度的提高，单位时间内的材料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积，vfap)增加，切削加工时间减少，从而可大幅度提高加
8、工效率，降低加工成本。 (2)在高速切削加工范围内，切削力随着切削速度的提高而减小，根据切削速度的提高幅度，切削力平均可减少30以上，有利于对刚性较差的零件和薄壁零件的切削加工。 (3)高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，可带走大量切削热。切削速度愈高，带走的热量愈多(约90以上)，传给工件的热量大幅减少，有利于减小加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。 (4)从动力学的角度，在高速切削加工过程中，切削力随切削速度的提高而降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源。转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大
9、降低加工表面粗糙度。 以上的优点正好弥补干式切削的不足，二者结合形成高速干式切削加工，在高速干切削方面，美国Makino公司提出“红月牙”(Red Crescent)干切削工艺。其机理是由于切削速度很高，产生的热量聚集于刀具前部，使切削区附近的工件材料达到红热状态，导致屈服强度明显下降，从而提高材料去除率。这也是目前比较成功的干式切削方法。因此，干式切削工艺的成败，不是简单地停止使用切削液，关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法，在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品品质和高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性。这些需要用性能优良的干式切削刀具、机床以及辅助设施替代传统切削中切削液的作用。1.4
10、高速干式切削定义及优点所谓高速干式切削加工，是指在高速机械加工中，为保护环境、降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液。高速切削加工具有以下优越性： （1）随着切削速度的提高，单位时间内的材料切除率（切削速度、进给量和切削深度的乘积，vfap）增加，切削加工时间减少，从而可大幅度提高加工效率，降低加工成本。 （2）在高速切削加工范围内，切削力随着切削速度的提高而减小，根据切削速度的提高幅度，切削力平均可减少30%以上，有利于对刚性较差的零件和薄壁零件的切削加工。 （3）高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，可带走大量切削热。切削速度愈高，带走的热量愈多（约90%以上），传给工件的热量大幅度减
11、少，有利于减小加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。 （4）从动力学的角度，在高速切削加工过程中，切削力随切削速度的提高而降低，而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源。转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。 （5）高速切削可加工硬度4565HRC的淬硬钢铁件，如采用高速切削加工淬硬后的模具，可减少甚至取代放电加工和磨削加工，满足加工质量的要求。2.实现高速干式切削加工的关键技术 在高速干式切削加工中，由于切削过程缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用，相应地会出现以下问题： （1）由于缺少切
12、削液的润滑作用，高速干式切削加工中的切削力会大大增加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工表面质量变差，刀具磨损加快，刀具使用寿命缩短。 （2）由于缺少切削液的冷却作用，高速干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环境会导致形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。如不及时将热量从机床的主体结构中排出，同样会使机床产生严重的热变形，影响加工精度和降低工件表面质量。 （3）在高速干式切削加工某些材料（如石墨电极等）时，会产生大量粉尘，如不能及时清除，会严重损害操作工人的身体健康，同时细微颗粒也会侵入丝杠、轴承等机床
13、关键部件，加大机床的磨损，影响机床的加工精度和稳定性。 （4）由于高速干式切削加工与高速湿式切削加工的切削过程有所不同，为使机床能够稳定地完成切削过程，需要对原来高速湿式切削加工选用的切削参数作相应修改和调整，才能应用于高速干式切削加工。 为了解决以上问题，使高速干式切削加工在规定时间内达到与高速湿式切削加工相当（甚至更高）的加工质量和刀具耐用度，就必须对包括机床、刀具、工件以及切削参数在内的整个工艺系统进行全面的考虑权衡，并采取相应的工艺措施，以弥补高速干式切削加工的不足。2.1 高速干式切削加工机床技术 由于高速干式切削加工机床不再使用切削液，必然导致其整体结构及布局的变化，主要体现在对机
14、床的隔热性能、排屑速度、洗尘效果和机床基础构件的三刚度（静刚度、动刚度和热刚度）等方面提出了更高要求。 (1)选用三刚度高的高速机床 由于高速干式切削加工过程中会产生更大的切削力和更多的切削热，从而导致刀具与工件之间的振动以及机床的热变形明显增大，因此选用的机床基础构件（如立柱、床身、工作台等）的三刚度要大，如采用人造花岗岩等新材料整体制造床身，不仅三刚度好，而且减振效果明显。此外，将被认为是“21世纪的新式数控机床”、“机床结构的重大技术革命”的虚拟轴机床与高速干式切削加工技术结合起来，将会获得更好的效果。 (2)采用快速排屑布局 应用高速干式切削加工的要点之一是要在切屑中的大部分热量传入机
15、床之前迅速将其排出。为此，可采取以下排屑方法： 为了便于排屑，高速干式切削加工机床应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身，工作台四周应采用倾斜的隔板，这样有助于热切屑迅速坠入排屑槽中。 借助重力排屑。以钻削加工为例，可改变机床常规布局，将工件安装在主轴下部，刀具从下向上钻削，在重力作用下，切屑可从孔中顺利排出，而无须使用带压力的切削液来辅助排屑。 利用虹吸现象排屑。在钻削加工中，可利用干燥的空气通过虹吸作用吸出孔中的切屑，而无须使用切削液。 利用真空或喷气系统改善排屑条件。如日本某公司开发的“洁净回收系统”，采用将刀具部分罩住的结构，利用从内部吹出的压缩空气，使切屑顺着刀具回转方向经螺旋管道排出。 (3)采用热稳定性好的结构和适当的隔热措施 机床床身采用热稳定性好的结
