研究干切削加工方法

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，需要研究干切削在车削、铣削、钻削、齿轮加工、磨削以及其他类型切削加工中应用的条件、特点、方法和采取的工艺措施。有关亚干切削内容将在2.4节中综述。表2-2 四种制冷方法的性能比较对于实施干切削的工艺系统，最主要的问题是保证切削过程平稳，以便获得理想的工件加工质量，由表2-2性能比较可知：制冷机压缩机循环间接制冷方法综合评价最好。

1.干切削加工方法在不同机床上的工艺研究

干切削是对传统生产方式的重大创新，是一种崭新的绿色制造技术，虽然从其出现至今只有很短的历史，但它是21世纪的前沿制造技术，同时干切削又是一项系统工程，不可能一蹴而就。干切削应用于不同类别的机床时，需要根据不同类别机床的加工特点，研究不同类别机床实施干切削的可能性、方便性，以及相关条件的特殊性。目前，需要研究干切削在车削、铣削、钻削、齿轮加工、磨削以及其他类型切削加工中应用的条件、特点、方法和采取的工艺措施。例如：相对于普通的干车削，干铣削是断续切削，干钻削则是封闭式切削；干磨削的速度高，切削热上升快，易烧伤工件，完全的干磨削往往较困难，是否需要添加切削液，如何添加切削液，加多少切削液切削效果最好等。诸如此类问题，均需要针对不同机床、工艺类型的特点逐一加以实验、分析，并结合工件材料、刀具、机床、工艺条件等问题进行研究，才能使干切削在各类机床上真正实现，并且这种实现是有价值的。

2.干切削工艺方法研究

（1）干切削、亚干切削研究通常将在切削过程中不使用任何切削液的工艺方法称为干切削（干式切削，Dry machining），它包括完全干切削、辅助干切削（包括风冷、液氮冷却、激光辅助等）加工工艺。完全干切削是指在切削过程中不使用任何切削液及辅助冷却介质的工艺方法；亚干切削（亚干式切削，Sub－dry machining）是指应用不同技术方法，将适量冷却和润滑介质注入带有一定压力、不同温度的气流中混合雾化，生成微量冷却润滑介质，并喷入切削区，对受热影响区实施微量冷却润滑的切削技术。亚干式切削通常包括：微量润滑切削、低温微量润滑切削（冷风切削）、保护气微量润滑切削、内冷喷射法、混喷喷射法等工艺。

有关亚干切削内容将在2.4节中综述。

（2）完全干切削完全干切削是指在切削过程中不使用任何切削液及辅助冷却介质的工艺方法，完全依机床、刀具、工件材料和工艺参数之间的合理选择、优化而进行的切削。当此类干切削只有普通精度要求时，只要机床的刚度、刀具材料的硬度、耐磨性等指标，以及工艺系统热稳定性满足加工要求就可以达到。当加工精度、生产率要求较高时，往往需要对机床的性能、刀具性能、被切削工件材料和工艺参数之间进行深入的研究、试验和优化工作，才能实现真正意义上的完全干切削。

（3）风（空气）冷或冷风干切削风（空气）冷干切削必须要有空气压力输送系统；冷风或低温冷风冷却干切削除空气压力输送系统外，还必须有对空气的制冷系统，其构成如图2-7所示。

图2-7 风冷却系统

风冷却系统一般有压缩空气供给源、除湿器、空气冷却器、绝热管、微量供油装置、风嘴、吸尘管和集尘器等组成。来自压缩空气源的空气经过除湿器去除水分后，送入空气冷却器冷却至－50～5℃，再经绝热管由风嘴将冷风送至需要冷却的部位，必要时喷入少量润滑介质以防锈，并兼有一定润滑作用。在风嘴的对面设有集尘装置用于收集尘屑，再经过集尘器内的过滤器滤去切屑。在该系统中，建立气体压力、流量、风嘴的喷射角和靶距（通常指风嘴至切削区的距离，下同）等工艺应用参数的可调机制，随工件材料、刀具材料、刀具结构、刀具几何参数等加工信息进行有利于干切削的变化，才能使风冷却系统较好地对被加工对象实施干切削任务。

实现空气冷却的方法较多，根据制冷原理目前可归纳为以下四种：

1）低沸点液体汽化间接制冷，其原理如图2-8所示。这种制冷方法是将液化厂的低沸点液氮送入风（空气）冷却系统中，使液氮在常温常压下蒸发汽化吸热而使空气冷却。这种冷却系统的结构较简单，液氮汽化温度为－180℃，可将空气冷却到－100℃以下，温度可由液氮流量控制，过冷还可通过加热器加热。由于需要大容量储液器和液氮的外部制备，整个系统的运行成本大大增加，故不太实用。

2）制冷机压缩机循环间接制冷，其原理见图2-9。该制冷方法使用低沸点制冷剂，由压缩机、蒸发器、冷凝器、储液器和膨胀阀等构成闭环冷却系统。这是电冰箱和冷却仓库广泛采用的制冷方式，其温度控制和能耗效率均较理想。

图2-8 低沸点液体汽化间接制冷原理

图2-9 制冷机压缩机循环间接制冷原理

3）空气绝热膨胀直接制冷，其原理见图2-10。由空气压缩机或管路来的常温高压空气进入膨胀机，使其在设定压力下膨胀，通过动力负荷对膨胀后空气能量的消耗，使空气温度下降。低温空气的出口温度由气源的入口压力和出口压力及膨胀机的性能来决定。

4）涡流管直接制冷。图2-11给出了涡流管直接制冷原理。压缩空气通过涡流管时将产生涡流运动，涡流内外气体的压力差就会产生温度差，其中心部分的气体为低温，外侧气体为高温。制冷空气的温度取决于入口空气压力与出口气体的流量。其结构很简单，只需一个涡流管。但有一部分气体作为热气排出，故制冷效率较低。

图2-10 空气绝热膨胀直接制冷原理

图2-11 涡流管直接制冷原理

1—喷嘴 2—孔板 3—涡流室 4—控制阀

上述四种制冷方法的性能比较见表2-2。

表2-2 四种制冷方法的性能比较

对于实施干切削的工艺系统，最主要的问题是保证切削过程平稳，以便获得理想的工件加工质量，由表2-2性能比较可知：制冷机压缩机循环间接制冷方法综合评价最好。目前，实际研究和应用中也主要采用这一种方法。

风冷却虽可进行干切削，但也存在一些尚需解决的问题，如切屑的收集问题，纯风冷却时刀具的润滑问题，纯风冷却时工件的防锈问题和冷风的噪声问题。

（4）液氮冷却干切削液氮冷却干切削是采用液氮使刀具或工件的切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。其主要有两种方式：一是采用液氮的自身瓶装压力喷射到切削区进行冷却；二是采用液氮受热蒸发循环原理，间接使刀具冷却。这是一种低温干切削方法，其装置见图2-12。这种方法是在车刀刀片表面上倒装了一个金属帽装物，其内腔与刀片上表面间形成一个密闭室，帽状物上有液氮的入口和出口。在切削过程中，液氮不断地在密闭室中流动，吸收刀片上的切削热，使刀片的切削温度不致过高，故能保持良好的切削性能，使干切削得以顺利进行。

用PCDN刀具车削烧结氮化硅（RBSN）的刀面磨损值如图2-13所示。当不用液氮冷却刀具时，PCDN切削工件长度（轴向测量）仅为40mm，后刀面磨损值VB就达3mm，切削无法进行下去。当采用液氮冷却后，切削长度160mm，VB仅为0.4mm，生产效率提高了三倍，刀具磨损值VB减小为没采用液氮冷却时的1/6，工件圆度误差从20μm减至3.2μm。

图2-12 液氮冷却干切削装置

图2-13 PCDN刀具车削RBSN的刀面磨损值VB

注：v_c＝2.23m/s，f＝0.1mm/r，a_p＝0.5mm，γ₀＝－6°，λ_s＝－6°，α₀＝5°，κ_r＝κ′_r＝15°，λ_ε＝－6°。

（5）硬态切削所谓硬态切削主要是指利用高性能刀具对淬硬工件（50～65HRC）的切削加工，目前主要在车削加工中进行。硬态车削可作为淬火钢的最终加工或精加工，即实现以车代磨。

通常淬硬钢工件在热处理前已完成粗加工，精加工一般由磨削完成。由于超硬材料刀具的出现及数控机床等加工设备精度的提高，以硬态切削代替磨削来完成零件的最终加工已成为一个新的精加工途径。硬态切削可达到小于0.013mm的尺寸精度和小于0.3μm的表面粗糙度。磨削虽然可以保证1μm的尺寸精度，表面粗糙度值小于0.25μm，但与硬态切削相比，磨削是一种成本高、耗时多的加工方式。一般来说，硬态切削比常规磨削更能保持工件表面性能的完整性，在硬态切削加工中，绝大部分的热量被切屑带走，在控制良好的硬态切削加工中，很少会发生工件表面热损伤。

目前，硬态切削加工的研究除了刀具、机床、工艺参数等一些基础条件外，对于各种不同材料硬态切削时临界值研究、硬态切削是否要添加切削液的研究（即硬态切削中微量冷却润滑技术的研究）、硬态切削中工件表面完整性研究、切削力和切削温度的模拟与控制、切削机理等都在进一步的探索中，并取得了一定的成果。

图2-14 高速切削的概念

（6）高速干切削高速干切削理论是1931年4月由德国物理学家Carl.J.Salomon提出的。他指出，在常规切削速度范围内（见图2-14中A区，）切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反而会降低，且切削速度值v_ε与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内（见图2-14中B区），由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，通常称该区为“死谷”。但若能越过这个“死谷”进行高速干切削，切削温度将不会随切削速度提高而升高，基本维持在与常规切削相同的切削温度，从而可大幅度提高生产效率。由此可见，高速干切削是一个相对的概念，根据被加工材料、生产方式的不同，亦有不同范围，通常指切削速度超过传统切削速度5～10倍的切削加工。

随着高速与超高速机床设备和刀具等关键技术领域的突破性进展，高速与超高速切削技术的速度范围也在不断扩展。如今在生产中高速切削铝合金的切削速度范围为2000～7500m/min，铸铁的切削速度范围为900～5000m/min，普通钢的切削速度范围为150～1000m/min，纤维增强塑料的切削速度范围为2000～9000m/min，进给速度高达20～40m/min。

研究高速干切削加工技术是从与其他切削方法的比较开始的，实施高速切削相对于普通的干切削，对机床、刀具、工艺方法将有更高的要求。如：机床的主轴需具备高转速、大功率和大转矩，进给速度也要相应地提高，保证刀具进给量基本不变，进给系统要有很大加速度等问题；在刀具方面，除了考虑刀具材料、结构等刀具本身的技术问题外，刀具更换方便和可靠、机床和刀具良好的动态特性和热特性等问题都需要进行更深入的研究。

对于高速干切削工艺技术的研究，是实施高速切削又一个非常重要的课题，其主要内容包括：适合高速切削的加工走刀方式，专门的CAD/CAM编程策略，优化的高速加工参数等。

研究干切削加工方法

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