绿色高速干式切削技术的研究内容及其发展_绿色制造_先进制造技术_489

绿色高速干式切削技术的研究内容及其发展＿绿色制造_先

进制造技术

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，加工过程中切削液的用量越来越大,有时高达８0－1ＯOＬ/ｍin。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肤病[1］。

人类社会已经迈入2l世纪,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,于是干式切削工艺的研究便应运而生，干式切削(Dｒy Cutting)的概念逐步形成。

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Ｆ.Ｋｌocke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MAPAL公司的总裁B.Ｐ．Ｅｒdeｌ博士也作了有关美国干切削发展的主题报告［２]。

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趋势，我国应加快对干式切削技术的研究。

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工效率，降低加工成本。