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

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2013年 11 月

摘要

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