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綠色切削技術探討
發布日期:2007/6/8 15:19:22  來源:中國鋼鐵新聞網  

    在金屬切削加工過程中,通常都要使用切削液。切削液的大量使用給環境和人體健康帶來了很大危害,迫使人們不斷研究開發新技術以改變現狀。因此,近年來綠色制造技術成為國際上的研究熱點。   

    綠色切削技術是綠色制造的一個組成部分,它是指對生態大環境和加工現場小環境均無毒副作用(或副作用很小),在加工過程中產生的少量“三廢”(廢氣、廢液和廢渣)在鏈條末端可回收或自然降解,達到無公害的環保要求,對人的健康和環境沒有危害的切削技術。

    對于綠色切削加工,國際上相應地制定了一系列標準。1996年4月,國際機械學會制定了關于清潔加工的ISO14000國際標準。德國、美國、加拿大和日本等國也相繼制定了更加嚴格的工業排放標準,進一步限制了切削液的使用。作為有毒廢料的切削液以及帶有切削液的切屑的排放和處理大大增加了回收處理成本,與切削液相關的費用約占加工成本的17%。

    無公害、清潔化、低能耗的綠色制造是21世紀機械制造業的發展方向。因此,研究開發新的綠色切削技術,減少切削液給環境帶來的污染,尋求綠色環保的冷卻潤滑技術,是綠色切削技術推廣應用的重要課題。綠色切削技術符合可持續發展戰略的要求,必將推動機械工業的持續、健康發展。

    干式切削

    干式切削是指在切削加工過程中不使用任何切削液,完全消除了切削液的負面影響,是一種符合生態要求的綠色切削加工方式。它的優點主要有:對大氣和水環境無污染;切屑上無殘液,降低了清潔處理成本;對人的健康無害且不會損傷皮膚或造成過敏。干式切削技術目前主要應用于鑄鐵件的加工,在其它方面的推廣應用正在進一步研究開發。

    干式切削的實施需要滿足一定的條件,主要包括:

    (1)要求機床具有很好的熱穩定性和很高的剛度,否則難以保證加工精度。

    (2)對刀具提出了新的要求。主要包括刀具材料的選擇和刀具幾何參數的設計。由于干式切削不使用切削液,因此切削溫度很高。只有具有良好導熱性、耐高溫和高硬度的刀具材料才能滿足加工要求,目前在干式切削中應用較多的刀具材料有CBN和PCD等。刀具涂層技術(CVD和PVD涂層技術、納米涂層技術等)的應用可以延長刀具壽命,較好滿足干式切削的要求。優化刀具的幾何參數,可以提高加工精度和延長刀具使用壽命,也是推動干式切削技術發展的重要手段之一。

    目前,干式切削技術還存在許多不足和限制其推廣應用的技術難題。由于失去了切削液的潤滑、冷卻、輔助排屑等作用,刀具在加工中承受的負荷增大,切削溫度升高,刀—屑界面處于完全的二相固體接觸狀態,刀具磨損過程異常復雜,刀具與工件均易發生熱變形,導致刀具使用壽命縮短,加工表面質量降低。此外,對于機床本身而言,由于不能保持熱平衡,機床的床身、立柱等也會因溫度升高而發生不容忽視的變形。

    干式切削技術的發展主要取決于機床和刀具性能的提高和改進,即:

    (1)提高機床性能。一方面提高機床的熱穩定性和抗熱變形能力;另一方面通過提高機床的主軸轉速,發展高速(超高速)干式切削技術,以大幅度提高生產效率,減小切削力,并獲得良好的表面加工質量。

    (2)開發新的刀具材料和涂層技術。通過提高刀具材料的導熱性、耐熱性、自潤滑性和耐磨性,延長刀具使用壽命,保證干式切削的加工精度。

    液氮冷卻切削

    液氮冷卻切削是利用液氮特性,在切削區形成局部低溫(或超低溫),從而改變工件材料的物理力學性能使其有利于加工的先進切削技術。美國懷特州立大學的S Y Hong博士對液氮冷卻車削加工的研究表明,硬質合金刀具材料在液氮冷卻切削條件下能夠保持良好的切削性能。林肯大學的Z Y Wang車削氮化硅陶瓷的試驗表明,在液氮冷卻條件下,刀具磨損可減小約4倍,工件表面粗糙度值可減小6倍多。液氮冷卻切削對于鈦合金、低合金鋼、軟鋼及一些高塑(韌)性復合材料等難加工材料的加工非常有利。

    目前,液氮冷卻切削技術主要存在以下需要解決的問題:

    (1)液氮的存儲、運輸等費用帶來了附加成本;

    (2)液氮在切削加工中的潤滑性不夠;

    (3)液氮使用的安全性需要特別加以注意;

    (4)在超低溫下切削出來的工件表面具有極強的化學活性,暴露在空氣中會很快生銹,因此必須解決工件防銹問題;

    (5)尚需對不同工件材料的低溫切削性能以及刀具的切削特性等作進一步深入研究。

    水蒸汽冷卻切削

    水蒸汽冷卻切削是將過熱水蒸汽噴射到切削區以達到冷卻潤滑的一種切削方法。它的切削系統由水蒸汽發生裝置、水蒸汽傳輸與控制系統和機床系統組成。前蘇聯學者Podgorkv V V和Godelviski V 
A在上世紀90年代提出了這種切削加工方法。哈爾濱工業大學也對此做過初步研究,并取得了一定成果。研究表明,水蒸汽冷卻切削可以減小切削力和工件表面粗糙度值,明顯降低切削溫度,生成的切屑更規則合理,潤滑性有所提高。水蒸氣價格低廉又無污染,是一種很好的綠色潤滑劑。目前,該技術仍處于研究階段,主要存在以下問題:

    (1)水蒸汽發生裝置能耗較大,尚須進一步研究能耗低、保溫性好、結構簡單合理的水蒸汽發生裝置。

    (2)水蒸汽的潤滑機理還需進一步深入研究,切削過程的潤滑模型尚不明確。

    (3)尚需對不同的工件材料進行大量切削性能試驗和研究,選擇合理的加工參數及確定最優噴射角度和流量等。

    氣體射流冷卻切削

    氣體射流冷卻切削是以一定壓力的射流氣體沖刷加工區以獲得冷卻效果的切削加工方法。日本學者對這種加工方法所做的研究工作較多。我國華東船舶工業學院也做了這方面的研究工作,并取得了較好效果。研究表明,氣體射流冷卻切削在冷卻效果、工件加工質量和刀具使用壽命等方面均有益處。目前國內對該技術的研究還處于起步階段,尚須開展以下研究工作:

    (1)氣體射流冷卻切削參數(包括氣體壓力、溫度、氣流速度、噴口直徑及噴射方向等)的優化設計。

    (2)氣體射流冷卻切削機理的分析研究。

    (3)尚需對不同工件材料的氣體射流冷卻切削性能進行大量的試驗研究。

    低溫風冷切削

    低溫風冷切削是在加工過程中用-10℃~-100℃的冷風沖刷加工區,從而降低刀具和工件溫度的一種切削技術。它的切削系統主要由冷風發生裝置和切削加工系統組成。日本對此項技術的研究較早,開發水平較高。1996年橫川和彥教授就開始對低溫風冷切削進行了較全面的研究。國內的重慶大學也進行過此類研究,并取得了一定成果。研究表明,低溫風冷切削可顯著降低切削區溫度,提高刀具耐磨性,延長刀具使用壽命,改善加工表面質量,且對環境完全無污染。

    對于該技術的研究還存在一些問題。首先,低溫冷風切削對于不同的被加工材料有著不同的影響,而國內對這方面的研究工作開展較少,缺乏試驗數據,難以提供科學、合理的切削參數。其次,該方法的冷卻潤滑系統比較復雜,不利于推廣應用。第三,該方法只有冷卻功能而無潤滑功能(如果在冷風中添加微量切削油,可以解決潤滑性問題,但對環境有一定影響,屬于準綠色切削)。此外,使用時發出的噪聲較大。最后,對風冷切削技術缺乏系統性的試驗研究,對一系列技術參數沒有量化和優化。對不同條件下不同材料的切削性能有待進一步深入研究。

    低溫風冷切削技術有一定的應用前景,但對以下課題須作進一步研究開發:

    (1)開發低耗能、高效率、調節范圍大和無污染的低溫風冷裝置。

    (2)開展系統性的研究。對不同條件下不同材料的低溫切削性能進行大量實驗研究,整理和分析實驗數據,為下一步研究作準備。

    (3)調整機床結構,提高與低溫風冷系統的適配性,推動低溫風冷切削技術在機械工業中的小范圍應用。

    最小量潤滑(MQL)切削

    最小量潤滑(Minimal Quantities of Lubricant, MQL)切削是指將壓縮空氣與極微量的潤滑液混合汽化后噴射到加工區進行有效潤滑的一種切削加工方法。它可以大大減少切削液的用量(一般僅為0.03~1.2L/h),可有效減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦,防止粘結,延長刀具壽命,提高加工表面質量。目前,該技術主要用于鑄鐵、鋼和鋁合金等的鉆孔、鉸孔、攻絲、深孔鉆削、鋁合金端面銑削等。

    在加工過程中,潤滑油在空氣中形成的油氣霧對環境和人的健康有害。美國Cicinati大學和Techsolve Inc.公司的聯合研究表明:在Tongil TNV-80 CNC立式加工中心上分別以11ml/min和6.5L/min的用量對AISI/SAE 4340鋼件進行銑削和鉆削時,在較低的切削速度和金屬切除率下,MQL造成的空氣中油霧微粒生成率在鉆削時是傳統注澆法的340~3300倍,在銑削時是其100~140倍。因此,采用MQL切削技術必須在機床上添加封閉、通風和空氣清新設施,這必然帶來一定的附加成本。

    結合目前的研究開發現狀,提出如下MQL切削技術的研究方向:

    (1)對油霧微粒的生成機理進行深入研究,并提出有效、實用的防護措施。通過技術措施將油霧微粒在大氣中的濃度降至最低,實現對人體和環境無害(或危害最低)的準綠色切削。

    (2)加強對MQL油霧發生裝置的設計研究。目前大多數MQL裝置都是采用壓縮空氣作為油霧傳送載體,很難控制油霧微粒的大小和分布,因此傳送單元和油霧控制口的設計將是研究重點。

    (3)因為切削參數和切削速度都會對油霧微粒生成率造成影響,因此還需對切削參數對油霧微粒生成率的影響做大量研究。

    結語

    本文對綠色切削技術領域一些常見的分支技術作了較系統的介紹和分析。其中,干式切削、液氮冷卻切削、水蒸汽冷卻切削、氣體射流冷卻切削及低溫風冷切削等均屬于綠色切削技術;最小量潤滑(MQL)切削技術和在冷風中加微量切削油的低溫冷風切削技術則屬于準綠色切削技術。綠色切削技術可以提高刀具使用壽命及加工質量,且對環境無污染,對人體健康無害,在實際應用中取得了良好效果,是金屬切削加工領域今后的發展方向。目前,高速(超高速)干式切削技術和開發無污染的生態切削液是綠色切削技術的發展重點。在21世紀制造業的發展過程中,綠色切削技術必將得到更快的發展和更廣泛的應用。


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