当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

高速干切削


题目:高速干切削技术在绿色化工制造中的应用研究

学生姓名 学 院 专 年 号 系 业 级

教务处制 2013 年 11 月





在切削加工过程中需要大量使用切削液来进行冷却润滑, 此过程不仅提高了 加工成本并且带来了环境污染问题。因此, 切削加工的绿色化是制造业可持续性 发展的重要方向。 高速干切削技术是在高速加工和干切削技术的基础上发展起来 的一项先进制造技术,是绿色制造在金属切削领域的具体实施。 关键词:切削加工, 绿色制造, 高速干切削

Abstract

It is inevitable to use a great amount of cutting fluid for cooling and lubricating in the cutting process, this process not only improves the processing cost but also brings many environmental pollution problems. Therefore,the greenization of the machining is the important direction of sustainable development of manufacturing industry. The high-speed dry cutting is an advanced manufacturing technology based on high-speed milling and dry cutting technology, it is the specific implementation of green manufacturing in the field of metal cutting . Key words:cutting process, green manufacturing, high-speed dry cutting

1 绪论
制造业是创造人类财富的支柱产业,同时制造业也大量消耗人类社会的有限 资源,是造成当前环境污染问题的主要根源[1]。切削加工是化工设备制造技术的 主要基础工艺,因此切削加工的绿色化已势在必行。发展绿色的切削加工技术就 是要综合考虑环境影响和资源使用效率,使其对环境的影响极小甚至为零,同时 资源消耗也尽可能小,从而使企业经济效益和社会效益协调优化。 近年来,机床和刀具技术以及切削理论的发展大大提高了切削加工的性能, 切削加工质量、切削效率、加工成本、能耗以及切削液的使用等都得到了很大改 善,高速切削和干切削等先进切削加工技术也得以进入实际应用,这对于实现绿 色化工设备制造、实施可持续发展具有非常重要的意义[2]。切削加工的绿色化是 化工制造业可持续发展的重要方向,高速干切削作为一种新型的绿色化工设备制 造方式,对其绿色特性及其关键技术进行分析研究意义重大[3]。

2 高速干切削技术的内涵
2.1 高速干切削技术的产生 随着化工机械制造技术的发展,对切削加工提出了越来越高的要求,就是既 要向高效率、高精度、自动化的方向发展,同时又要满足加工过程的经济性和生 态性的要求。 高速干切削技术正是满足这一要求的先进制造技术。高速干切削技 术采用高效率的数控加工手段来获得高精度的加工结果, 同时又限制切削液的使 用,消除了因使用切削液而带来的环境污染、危害工人健康、增加制造成本等负 面影响,从而实现了绿色生产。 2.2 高速干切削的加工优势 相比于普通切削,高速干切削的切削力可降低 30%左右,特别适合于加工薄 壁类的化工零件,并且还能极大地提高切削效率,使单位时间内材料的切除率提 高 3—5 倍。更为重要的是高速干切削技术不但可以加工出表面质量极高、无微 淬火现象的优质工件, 而且绝对不存在由于工件内不易触及的槽沟或孔眼里残留 切削液而造成锈斑的危险,使制成的工件干净利落、不带任何残渣,从而保证了 所加工设备零件的安全使用。

3 高速干切削技术的绿色特性分析
3.1 面向绿色化工制造的加工过程功能目标及其分解 绿色化工制造系统的效益目标是实现经济效益和社会效益的协调优化,对于 零件加工过程,具体的功能目标为加工时间 T、加工质量 Q、生产成本 C、资源消 耗 R 和环境影响 E。下图 1 是对各目标的一种指标分解形式:

图 1 面向绿色化工制造的加工过程功能目标及其分解 3.2 切削加工的影响因素 影响切削加工的主要因素包括刀具、工件、机床和切削液等,具体如下图 2 所示:

图 2 切削加工的主要影响因素

通过将切削加工的各种主要影响因素与图 1 中各个指标进行对比分析,可以 得到切削加工的绿色性程度。因此通过分析高速干切削对切削过程的具体影响, 看绿色特性的各个指标是否协调优化即可得出高速干切削的绿色性程度[4]。 3.3 高速干切削与传统切削加工的绿色特性指标比较 (1)加工时间(效率)指标 高速干切削的切削速度远高于常规切削。 采用高速切削技术能使整体加工效 率提高几倍乃至十几倍。传统的切削加工方式为“重切削”方式,每一刀切削排 屑量大,切削深度大,但进给速度低;而高速干切削为“轻切削”方式,每一刀切削 排屑量小,切削深度小,但切削线速度大,进给速度高,可显著提高工件材料切除 率, 单位时间内的材料切除率可增加 3-6 倍,大大提高了加工效率,缩短了生产周 期,提高了设备利用率。 (2)加工质量指标 对于传统切削,切削液只能从刀头侧面浸入,而不能从刀具的前刀面和后刀 面进入刀具与切屑、刀具与工件的接触区。因此,由于浸入需要时间,所以一般 来说切削速度越高,切削液的润滑效果越差。高速干切削是依靠刀具涂层或微量 切削液起到润滑、 减少摩擦作用,无论切削速度多快,前后刀面的涂层都始终在接 触区内。所以,高速干切削更容易显示出干切削的优势。 在实际应用高速干切削进行加工时,为了减小切削力、 降低切削温度,根据不 同的工件材料还可采取某些特殊工艺措施(如激光辅助干切削、 液氮冷却干切削、 准干切削等),以进一步保证加工质量。 (3)资源消耗指标 在干切削加工过程中,直接的加工能耗如加工变形能和摩擦能耗等会增大, 这导致切削能耗有所增加。采用高速加工后,能耗的状况可以得到很大改善。这 是因为传统的切削加工方式为“重切削”方式,切削深度大,但进给速度低,要求 机床主轴在低转速时能提供高的扭矩,这就要求较高的电源功耗,从而直接增加 了切削的资源消耗。与“重切削”方式相比,高速切削时良好的资源消耗特性体 现在单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。 由于切除率高、能耗低,工件在制时间短,提高了能源和设备的利用率,降低 了切削加工在制造系统资源总量中的比例,因此高速切削加工能耗低、节省制造

资源的特点符合可持续发展的要求。 高速干切削的另一个也是最重要的优点就是由于不使用或微量使用切削液, 从而节省了大量的资源,产生的切屑也更方便回收利用,具有更好的资源特性。 (4)生产成本指标 干切削加工中切削液的使用成本太高。制造业的调查数据显示,切削液的费 用及其有关的设备费、能耗费、处理费、人工费、维修费、材料费等加在一起达 到全部制造费用的 7%-17%,而全部刀具费用仅为总制造费的 2%-4%,可见使用切 削液的成本已数倍于刀具费用。同时,由于排放的切削液和带有切削液的固体物 被当作有毒材料进行处理,大大增加了切削液的供给、 保养和回收处理成本,因此 在与切削液有关的总费用中回收处理费用就高达 22%。而采用高速干切削技术后 由于不使用或使用最少量的切削液,加工的成本就会大幅度降低。 另一方面,由于在高速干切削过程中,大部分的切削热被切屑和刀具承载,切 屑被快速处理掉,而刀具却持续承受切削热和切削力。 因此,高速干切削对刀具材 料和工艺的要求很高(要求刀具有很高的红硬性和高温稳定性),使刀具的成本相 应有所提高。 此外,在大多数情况下,高速干切削刀具都是针对某种材料的具体工 艺要求专门设计制作的, 这在一定程度上也增加了刀具的成本。 另外,高速干切削对机床的要求也较高。首先要求机床配备高速、大功率的 主轴单元以及其他辅助装置等以满足高速切削的需要; 其次为了避免干切削时在 机床加工区产生的较大热量使机床产生热变形、 影响工件加工精度和机床工作可 靠性,机床需采用热稳定性设计,使用热稳定性好的材料,有时还需要内置循环冷 气系统用以提高机床工艺系统的热稳定性;为了便于排屑,干切削机床应尽可能 采用立式主轴和倾斜式床身; 为防止工作台和其它支承部件上热切屑的堆积和尘 埃颗粒飘扬,需采用吸气系统将其吸走并过滤;生灰尘的加工区应和机床的主轴 部件及液压、电气系统严加隔离。这些要求都增加了机床制造的成本。 综上所述,尽管用于高速干切削加工的刀具和机床成本有所增加,但由于节 省了大量切削液的使用费用,而且切削速度提高、切削时间缩短、设备利用率提 高,所以制造成本还是大幅降低。 (5)环境特性指标 高速干切削的环境特性优势主要体现在不使用或使用微量切削液上。 而传统

切削方式中切削液的使用会造成以下问题: 对生态环境的影响:切削液对生态环境的危害主要是切削加工中产生的切削 废液(废油、 废液)对水资源的污染。 这些废油、 废液不经过有效处理而排放到河、 湖、海洋中将会造成严重的水污染;另外,切削加工中使用的切削液或多或少总 会残留在切屑上,大量堆积的切屑所带有的切削液会污染土壤,对切屑再生利用 时切削液中的有毒有害成分也会污染环境。 对职业健康安全与卫生管理的影响:切削液对人体具有危害,会损害操作者 的身体健康; 另外切削液的添加剂也具有毒性,从而对人体的皮肤和呼吸器官造 成损害。 对生产制造安全性的影响:由于切削液中含有许多添加剂,因此在其使用过 程中会导致设备生锈、腐蚀甚至引起火灾等。 回收与处理:传统切削时,切削液与切屑的回收和处理都非常麻烦。 综合以上讨论得到的高速干切削的绿色特性如下图 3 所示:

图 3 高速干切削的绿色特性总体分析 通过上述分析可知:高速干切削的各个绿色特性指标都得到了协调优化,特 别是环境指标得到了很大优化,与传统的切削方式相比,高速干切削技术具有明 显的优势,可获得生产效率高、加工质量好、无环境污染等多重技术经济效益, 具有很大的发展潜力[5]。作为一种绿色制造方式,高速干切削技术对可持续发展 具有重要意义,是未来切削加工发展的一个趋势。

4 实现高速干切削的关键技术
要实现高速干切削技术,就要研究用相关的技术手段在加工过程中替代切削 液的润滑、冷却、排屑的功能,以消除因缺少切削液而产生的刀具与工件、切屑 之间的摩擦以及由此引起的刀具寿命下降、工件加工质量变差等问题,从而顺利 进行干切削加工,达到或超过传统切削加工时的加工质量、 生产率,并提高刀具耐 用度。这些可以从包括机床、刀具、工艺等在内的几个方面来实现。 4.1 高速干切削的机床技术 实行高速干切削技术,从机床技术角度主要考虑:如何使切削热迅速散发;切 屑和灰尘如何快速排出;采用不同的工艺方法时辅助设备的安装等问题。 4.1.1 采用高速机床 高速加工能使切削力降低 30%左右, 90%以上的切削热由切屑带走,工件可基 本保持室温状态,特别适合加工容易热变形的工件;并且激振频率远高于机床和 工艺系统的固有频率,加工过程平稳,振动小,铣削和车削可达到磨削的质量水平。 高速加工的这些优点可弥补干切削的一些不足,二者的有机结合可实现高效、优 质、无污染的加工。 4.1.2 机床结构应有利于排屑 在机床中设计快速排屑结构和辅助排屑设施。通过改造机床结构,使切屑能 利用自身重力自动、快速地排出,而且几乎没有增加机床的造价。同时,为了防 止灰尘和细小切屑的侵入,机床应对主轴、导轨等精密运动部件密封,必要时设 计真空、吹气或虹吸装置来排尘及辅助排屑,以保证切削过程顺畅。 4.1.3 机床设计应遵循模块化设计原则 由于加工方法和所需加工的化工设备特性的差异,进行高速干切削加工时可 能需要用到不同的辅助设备, 因此机床结构应实行模块化设计,将各种辅助装置 与机床主体之间的接口标准化,使机床能方便地实现工件与切削方法的组合。 4.2 高速干切削的刀具技术 由于不使用切削液,干切削的切削区没有了切削液冷却、 润滑,干切削时的切 削温度要比传统切削时的切削温度高很多,刀具与切屑间的摩擦也增大,从而加 剧了刀具的磨损。因此,刀具的正确使用很重要。

4.2.1 采用性能优越的刀具材料 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。超细颗粒硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼、聚 晶金刚石等都具有较高的红硬性和耐磨性,是目前应用最为普及的几种高速干切 削刀具材料。 常用高速干切削材料又大都有脆性比较大的缺点,但是干切削相对于传统切 削而言,消除了因为切削液使用不连续或冷却不均而造成的热冲击,因此对使用 这些脆性较大的超硬刀具材料更为有利。 4.2.2 采用涂层技术 对刀具进行涂层处理,是提高刀具性能的重要途径,涂层刀具是当今高速干 切削最常用的刀具。 涂层有两大作用可以在切削过程中取代切削液:提供低摩擦 层,取代切削液的润滑作用; 提供低导热率层抵抗切削热向刀具传播,取代切削液 冷却刀具的作用。 刀具的涂层可分为硬涂层和软涂层。硬涂层起耐热和隔热的热屏障作用,这 类刀具表面硬度高,耐磨性好; 软涂层使刀具与工件材料的摩擦系数很低,减少切 削力和降低切削温度。在高速干切削中常常采用多层复合涂层刀具,把硬涂层和 软涂层结合在一起, 使刀具的硬度和韧性显著增加,使其具有优异的抗磨损及自 润滑性能,从而更加适合用于各种材料的干切削。 4.2.3 优化刀具结构和切削用量 高速干切削设计的刀具结构应耐磨损、耐冲击。通常干切削刀具具有大的前 角和刃倾角,以减少切屑与前刀面的接触面积,使切屑带走大量热量。 同时刀具的 几何参数和结构设计还应满足干切削对断屑和排屑的要求。 由于高速干切削加工具有切削力小、散热快、加工过程稳定性好等优点,因 此在干切削的切削用量选择中,允许采用较大的切削用量来提高切削加工时的效 率。 4.3 高速干切削的工艺技术 高速干切削技术的应用受工艺条件、工件材料和加工类型的影响,有些加工 适宜采用干式切削,有些则不宜,在制定工艺时应作具体分析。另外,液氮冷却干 切削和激光辅助干切削的工艺技术也在高速切削中得到应用, 液氮冷却技术的机

理是采用液态氮冷却刀具的切削部位,吸收切削时的发热量,始终保持刀具在干 切削下的优良切削性能; 而激光辅助干切削的工艺技术是用改善工件材料被切削 部位的物理力学性能,减少加工时的切削阻力来实现干切削[6]。

5 结论与展望
高速干切削具有很好的绿色性,是一种理想的绿色制造加工方法,具有良好 的应用前景。高速干切削技术是一项综合技术,并非简单地提高切削速度、停止 使用切削液就能实现的,而必须从刀具、机床和工件等各方面采取一系列合理、 有效的措施,对其中的关键技术进行重点攻关与开发才能得以顺利实施。目前我 国对于高速干切削技术的研究尚属于起步阶段,但从长远的发展角度看,高速干 切削技术的应用将是实施绿色制造的必然趋势。

参考文献

[1] 刘 飞,张 华,陈晓慧.绿色制造的决策框架模型及其应用[J].机械工程 学报,1999,35(5):11-15 [2] 张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2002. [2] 刘 飞,张晓冬,杨 丹.制造系统工程[M].北京:国防工业出版社,2000 [3] 张丽华, 张华, 陈伟, 江志刚.一种新型绿色制造方法—高速干切削[J]. 工具技术,2005,39(5):10-13 [4] 潘培道,韩江,刘孝光,胡昌军.高速干切削技术分析[J].工艺与装备, 2007,4:79-82 [5] 白 钊,马 平.金属切削领域的可持续发展战略—高速干切削技术[J]. 机械工程师,2003,6:10-12 [6] 邹 浩 波 , 张 宇 . 高 速 干 切 削 加 工 技 术 [J]. 机 械 研 究 与 应 用 , 2005,18(5):4-5


相关文章:
高速干切削的绿色工艺过程
高速干切削的绿色工艺过程_机械/仪表_工程科技_专业资料。高速干切削的绿色工艺过程 2011-08-20 22:46:50 作者:周宇 分享到 来源:互联网 0 ? 对我国机械制造...
高速干切削技术及其实现
高速干切削技术及其实现 摘要:在切削加工中大量使用切削液进行冷却、润滑,不但提高了加 工成本,也带来了环境污染,消除这些问题的合理措施是采用高速干 切削方式。提...
高速切削
高速切削因具有降低切削力,工件热变形小等特点,为实现干切削提供了有利条件,高 速干切削目标不仅要限制或停止使用切削液, 而且要保证高加工效率加工质量。 但高速...
干切削
高速钢和硬质合金经过 PVD 涂层处理后,可以用于干切削。原来只适用于进行铸铁干切削的 CBN 刀具, 在经过涂层处理后也可用来加工钢、铝合金和其他超硬合。.实际上...
高速干切削过程智能监控系统
高速干切削过程智能监控系统 高速干切削过程智能监控系统 Date: 2/18/2008 项目介绍: 项目介绍: 通过检测和分析温度和切削振动信号, 分别进行在低温冷却和最少量润...
干切削加工
而PCD 材料的硬度约为CBN 的2 倍,其导热性好、热膨 胀系数也很小, 特别适合于对各种铜铝合金、非金属材料和复合材料进行高速干 切削的工具中。近年来,在Al20...
额适用于高速干切削技术的刀具涂层的研究现状和发展趋势
额适用于高速干切削技术的刀具涂层的研究现状和发展趋 势 摘要:在高速加工和干切削技术上发展起来的高速干切削技术, 不仅能有效避免切削液对环境的污染,而且还能大...
铝合金高速干切削过程智能监控及工艺研究
铝合金高速干切削过程智能监控及工艺研究 产品:声音与振动, PXI/CompactPCI, 软件 挑战: 采用很高的主轴转速、 进给速度以及不使用,使得加工过程变得更加复杂和充满...
高速切削及刀具
高速切削及刀具_机械/仪表_工程科技_专业资料。干切削高速切削高速切削干切削技术刀具为保证高速精密切削时的加工精度和可靠性, 刀具装夹到机床主轴上之前须先进...
高速切削论文
这里包含了高速软切削、高 速硬切削、高速湿切削和高速干切削等等。 事实上, 高速切削技术是一个非常庞大而复杂 的系统工程, 它涵盖了机床材料的研究及选用技术,...
更多相关标签: