干切削加工技術(shù)應(yīng)用探究

李金富 薛志馨 王天彬 劉立杰

黑龍江省齊齊哈爾建華機械有限公司特種機加廠 161006

干切削加工技術(shù)應(yīng)用探究

李金富 薛志馨 王天彬 劉立杰

黑龍江省齊齊哈爾建華機械有限公司特種機加廠 161006

制造業(yè)實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然性；干切削加工技術(shù)是解決切削液帶來環(huán)境污染和提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)綠色制造的根本方法；干切削加工技術(shù)對機床、刀具的加工要求；實際應(yīng)用舉例。

可持續(xù)發(fā)展；綠色制造；干切削加工；切削液；環(huán)境保護(hù)

1.概述

1.1 制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)，人類在百年工業(yè)文明的探索和實踐中，迎來了信息時代的新紀(jì)元。制造業(yè)也由“高成本、高消耗、低產(chǎn)出、低回報”的粗放式加工方式逐步向智能化制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、綠色制造等方向發(fā)展。隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展，不但滿足了人類日益增長的需求，還為大幅度提高人類的生活水平提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。但我們也應(yīng)看到工業(yè)化的實現(xiàn)特別是制造業(yè)的迅猛發(fā)展過程，是構(gòu)建在大量消耗不可再生資源基礎(chǔ)上的，其生產(chǎn)與消費過程產(chǎn)生的大量污染，犧牲了人類賴以生存的自然環(huán)境。發(fā)展是人類社會永恒的主題，但發(fā)展不應(yīng)建立在損失當(dāng)前資源、破壞后輩生存、發(fā)展環(huán)境基礎(chǔ)上。合理使用資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，使發(fā)展既能滿足當(dāng)代人需求，又不對后代人的需求構(gòu)成危害的發(fā)展道路才是晚們應(yīng)該走的可持續(xù)發(fā)展之路。人與自然的和諧發(fā)展才是人類生存的需要、生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的需要。因此，在產(chǎn)品制造中保護(hù)自然資源、保護(hù)和綠化環(huán)境、節(jié)約材料和能源，實現(xiàn)綠色制造才是制造業(yè)發(fā)展需要考慮的重要因素。

1.2 切削液參與加工對環(huán)境的影響

在產(chǎn)品加工中必然會產(chǎn)生大量的高溫切屑，目前為消除由此帶來的對機床、工件和刀具的影響，多數(shù)加工中采用高壓大流量冷卻液對加工區(qū)域進(jìn)行冷卻和潤滑，但大量切削液的使用有以下弊端：

a) 切削液的配比成分中大都含有一定量的化學(xué)添加劑（如硫、氯等有害元素），在加工過程中會產(chǎn)生高溫而使切削液形成霧狀揮發(fā)，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有害物質(zhì)污染環(huán)境并威脅操作者身體健康。

b) 殘留在表面及孔眼、溝槽中的切削液易使工件、機床、工裝等物品銹蝕，影響性能和質(zhì)量。

c) 使用后的廢切削液回收、處理，不但困難，而且成本較高。

1.3 干切削加工的特點

干切削加工，即在切削加工過程中，不采用切削液進(jìn)行潤滑和冷卻或采用干燥的高壓氣體進(jìn)行冷卻的加工方式。其加工特點如下：

1.4 形成的切屑干凈、清潔無污染，易于回收處理；

1.5 省去與切削液有關(guān)的采購、運輸、調(diào)配、貯藏、回收處理等費用，節(jié)約生產(chǎn)成本；

1.6 不使用切削液也就不會生成污染環(huán)境的廢液，也不會有因殘留切削液而導(dǎo)致的產(chǎn)品或機床、工具銹蝕現(xiàn)象發(fā)生。

2.干切削加工技術(shù)實現(xiàn)要求

干切削加工是在1995年后，為適應(yīng)全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，而發(fā)展起來的一項綠色切削加工技術(shù)。目前，包括歐、美和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都非常重視干切削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用，其中德國企業(yè)在生產(chǎn)中已有10%～15%的加工方式采用干切削加工技術(shù)，并且有些機床廠家還專門制造了適合干切削加工使用的機床。干切削加工技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用到鋼、鋁、鑄鐵等多材料和航空、航天、汽車、等多行業(yè)生產(chǎn)加工中。

干切削加工技術(shù)是適應(yīng)綠色制造發(fā)展趨勢，實現(xiàn)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。但是由于在干切削加工過程中沒有切削液的冷卻、潤滑和排屑作用支持，會導(dǎo)致切削區(qū)刀具與工件的摩擦加劇，切削力增大，切削溫度上升，切削振動增強以及排屑不流暢等情況；會對機床加工性能和刀具使用壽命有影響，并且有可能降低產(chǎn)品加工質(zhì)量，因此，要實現(xiàn)干切削加工必須有相應(yīng)的機床、刀具來保證。

2.1 干切削加工對機床的要求

a)對機床主軸的要求：采用干切削加工的機床主軸應(yīng)具有較高的轉(zhuǎn)數(shù)和高剛度，特別是機床的主軸動剛度，以適應(yīng)干切削加工過程中切削力增大、切削振動增強帶來的影響。

b)對進(jìn)給傳動系統(tǒng)要求：干切削加工過程中刀具與工件的摩擦劇烈，切削力大，因此要求機床進(jìn)給傳動系統(tǒng)應(yīng)具有較高的剛度和較大的進(jìn)給推力。例如，采用伺服電機與大導(dǎo)程絲杠螺母副組合傳動或直流電機直接驅(qū)動絲杠進(jìn)行進(jìn)給傳遞。

c)對其它控制、運動輔件的要求：機床的主軸及相關(guān)機械運動部件、電氣控制部件要有可靠的密封結(jié)構(gòu)和良好的密封效果。以防止加工中產(chǎn)生的灰塵、細(xì)小碎屑以及金屬懸浮顆粒的侵入，避免造成機床部件性能喪失或加劇部件磨損。

2.2 干切削加工對刀具的要求

a)刀具材料要求：干切削加工是一種無潤滑、冷卻形式的加工方法，因此要求干切削加工所使用的刀具與工件材料之間的摩擦系數(shù)要小，刀具的材料應(yīng)具有高的紅硬性和耐磨性，同時應(yīng)具有高的熱穩(wěn)定性和抗沖擊性。目前，通常所使用的有陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金剛石（PCD）以及超細(xì)硬質(zhì)合金等刀具材料，它們都具有較高的紅硬性和耐磨性。加入WC、TiC、TaC等碳化物的硬質(zhì)合金刀具在切削鋼件時，耐熱性可達(dá)800℃～1100℃，切削速度Vc可達(dá)220m/min以上。另外，帶有厚度為5μm～10μm的TiN、TiCN等涂層材料的硬質(zhì)合金刀具具有更高的耐磨性和刀具耐用度。

b)刀具幾何槽形要求：干切削加工刀具的幾何槽形應(yīng)利于斷屑、排屑和散熱，以減小切削熱對刀具帶來的影響，降低刀具磨損、提高刀具使用壽命。在干切削加工中應(yīng)采用具有較大的前角和刃傾角的刀具，同時為提高刃口強度，刀具的切削刃應(yīng)帶有負(fù)倒棱或加強刃。例如，湖南株洲鉆石刀具系列中的DR槽形（適合鋼件切削），LH槽型（適合鋁件切削）；山特維克（SANDVIK）刀具中的PR槽型（適合鋼件切削），AL槽型（適合鋁件切削）。

3.干切削加工應(yīng)用事例

干切削加工技術(shù)可以從根本上解決切削液帶來的諸多不利因素，是一種適應(yīng)清潔生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本的工藝方法。但由于受機床、刀具、工藝等因素限制未能得到普及廣泛應(yīng)用。下面僅列舉我公司簡單應(yīng)用實例加以說明：

3.1 鑄鐵件干切削加工

我公司機床上使用的法蘭盤、中心架架體均為鑄鐵，型號有HT200、HT250等。在單件加工中通常都不用切削液，是典型的干切削加工方式。采用普通刀具加工時刀尖易燒結(jié)，工件表面質(zhì)量不好，在采用立方氮化硼CB50（SANDVIK）刀具加工后，工件表面質(zhì)量和刀具耐用度均有大幅度提高，金屬去除率也由原來的10cm3/min～13cm3/min提高到30cm3/min～35cm3/min。

3.2 鋼件干切削加工

我公司在某產(chǎn)品零件粗車外圓工序生產(chǎn)過程中，完全采用干切削加工方法。加工的材料為D60鋼，零件尺寸∮160×608（單位：mm），機床采用德國OERLIKON公司制造的VA5/HZ液壓多刀自動仿行車床，采用芯軸式夾具兩點反撐夾緊，機床尾座頂尖輔助支撐。見下圖：

該機床是干切削加工專用機床，主電機功率90kw，進(jìn)給單元采用直流電機直接驅(qū)動大導(dǎo)程絲杠螺母副，有效保證機床進(jìn)給動力。該機床大拖板帶動三把上刀架對工件的外形進(jìn)行同時切削，各部外形尺寸靠仿形板保證。在切削過程中每把刀的切深ap可達(dá)（8～12）mm，走刀量f在（0.7～1.0）mm/r，機床轉(zhuǎn)數(shù)n為380r/min。刀桿采用PSBNL3232K19（SANDVIK），刀片采用SNMM190616-PR4025（SANDVIK）。

在無切削液參與加工的情況下，多年來為公司節(jié)約了大量生產(chǎn)制造成本。

作為我國經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)和污染主要排廢源的制造業(yè)，只有實行“綠色制造”模式、可持續(xù)發(fā)展模式才能做到自然資源和能源的有效使用，才能實現(xiàn)發(fā)展的可持續(xù)性。干切削加工技術(shù)作為一種的優(yōu)質(zhì)綠色加工工藝，對我國實行可持續(xù)發(fā)展是戰(zhàn)略是有重大意義。

[1]劉苗東.干切削機床的結(jié)構(gòu)特點.江蘇機械制造與自動化,2004.4

[2]陸創(chuàng)中,孫家寧.金屬切削原理與刀具（軍工版）.上海機械?？茖W(xué)校,1993.10

[3]黃鶴訂.金屬切削機床設(shè)計.揚州工學(xué)院

[4]顧維邨.金屬切削機床概論.上海機械?？茖W(xué)校

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.15.041