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高速切削---實現綠色切削的有效途徑

2013年08月02日 10:59點擊:1287作者:默認來源:>>進入該公司展臺

  文章主要介紹了高速加工的概念、所使用的刀具、冷卻系統,并闡述了如何通過高速切削來實現綠色切削。
  
  高速切削的概念
  
  ISO1940標準中規定,主軸轉速高于8000r/min稱為高速切削加工。但在現實中一般認為,主軸轉速10000r/min以上的切削才可稱之為高速切削。針對不同的切削方式其特征又有所不同,如車削速度在500m/min以上可稱為高速車削,銑削速度在300m/min以上可稱為高速銑削,鉆削速度在200m/min以上可稱為高速鉆削等。
  
  高速切削的發展
  
  高速切削的概念zui早由德國的Garl.J.Salomon博士于1931年提出,但由于當時的技術、設備情況的限制,沒能進行實驗。隨著技術的發展,實驗條件逐步完善,西方發達國家特別是美國于20世紀60年代以后開始重視其發展,并進行了一系列實驗,20世紀80年代以后特別是20世紀90年代更是研究得如火如荼,產品的品種日益增多,技術日益完善,宣傳和服務更加到位。我國直到20世紀90年代以后才有了比較成熟的產品,如寧夏“小巨人”開發的VTC動柱式立式加工中心(主軸轉速10000r/min)、北京機床研究所于2003年研制成的μ10005V立式加工中心等。
  
  高速切削與綠色環保的
  
  隨著人們環保意識的增強及加入世貿組織后發達國家針對我國綠色壁壘的設置,客觀上要求機械產品在制造時盡可能少地消耗能源和污染環境。而機械切削(下簡稱切削)是機械制造中消耗能源和污染環境的直接原因,所以,人們有針對性地提出了綠色切削(綠色制造)的概念。所謂綠色切削就是指消耗盡可能少的刀具材料、切削液、加工時間和電力,盡可能少地污染環境,來達到某種特定的切削目的的一種切削方式。由于高速切削的特點決定了高速切削可以節省切削液、刀具材料、切削工時,從而節約了自然資源,減少了對環境的污染,提高了生產效率和產品質量,達到“綠色切削”的目的。
  
  高速切削的特點
  
  1.切削力小、振動頻率低
  
  切削形成的過程分為擠壓塑性變形和撕裂兩個階段,工件受切削力和切削熱影響而發生塑性變形主要在這個階段。由此可知:切削速度越高,塑性變形的時間越短使剪切變形區域越窄,剪切角越大,變形因子越小以及切屑流出速度越快(切屑中的熱量占切削熱的80%)、傳入工件和刀具中的熱量越小,所以高速切削可使切削變形機率平均降低30-40%以上,十分適合于剛性較差和薄壁零件的切削加工。
  
  從動力學角度分析頻率的形成可知,切削力的降低將減小由于切削力產生的振動(即強迫振動)的振幅。轉速的提高使切削系統的工作頻率遠離機床的低階固有頻率,避免共振的發生。因此,高速切削可大大降低加工表面粗糙度,提高加工質量。
  
  2.機床本身特征
  
  高速切削機床應用了目前的技術,是集機、光、電、氣、液壓為一體、采用目前所已知的機床的復合材料所制成的技術產品。所以高速切削機床除主軸轉速高外,相對于普通數控機床,其自動化程度(又稱智能化)更高、功率更大、切削材料硬度較高(可高速切削HRC50-54甚或HRC60的材料)、精度更高(達到0.001mm甚至0.0001mm)、切削和進給速度更高(是普通數控機床的幾倍甚至幾十倍);由于廣泛采用伺服電機,其傳動系統機械結構簡化且傳動可靠;采用復合材料或人造大理石為基座或工作臺(如瑞士MIKRON的UCP600)使機床剛性得到顯著提高,這些都使零件的尺寸精度得以極大提高。
  
  3.使用*的刀具
  
  由于高速切削的毛坯比較規則或經過預處理,而且機床剛性好、切削力小、振動小,所以其刀具破損失效的概率極小甚至可以忽略不記。高速切削時主軸轉速高、切屑流出速度很快、切削過程極短,發生粘結的可能性很小。根據刀具磨損的幾種形式分析,只有相變磨損、擴散磨損、氧化磨損、熱裂磨損等,而這些均屬于熱磨損范疇,所以,決定高速切削刀具失效的因素主要是刀具材料的熱性能,如熔點、耐熱性、抗氧化性、高溫力學性能和抗熱沖擊性能等,其次為刀具的幾何角度。
  
  目前常用的刀具材料有以下幾種:
  
  (1)涂層硬質合金刀具
  
  涂層硬質合金刀具是60年代出現的新型刀具材料。它是采用化學氣象沉積法或其他方法在硬質合金或高速鋼表面涂附一薄層(約5~10μm)耐磨的難熔金屬化合物,可在一定程度上提高刀具的綜合切削性能,在同樣情況下其切削速度比普通硬質合金或高速鋼刀具高40%左右,對比情況如圖一所示:
  
  涂層材料有TiC、TiN、AL2O3等幾種或兩種及兩種以上的復合使用。以下將分別予以說明:
  
  ·TiC涂層
  
  TiC涂層具有很高的硬度與耐磨性,抗氧化性也較好,切削時能形成氧化鈦薄膜降低摩擦系數,減小刀具磨損,使切削速度提高40%以上,比較適合高速切削。TiC涂層與鋼的粘結溫度高,表面晶粒很細,切削時很少產生積屑瘤,比較適合于高速精密車削。缺點是線膨脹系數與基體差別較大,因此,高速車削或銑削硬材料、高溫合金或帶夾雜物工件時,涂層易崩裂。
  
  ·TiN涂層
  
  TiN涂層在高溫時能形成氧化膜,與鐵基材料摩擦系數較小,抗粘結性能好、有效的降低了摩擦力與切削溫度,TiN涂層刀片抗月牙洼及后刀面磨損能力比TiC涂層刀片強,切削鋼與易粘刀的材料,使加工表面粗糙度減小,切削速度提高。此外TiN涂層抗碎裂性與抗熱震性能也較好,這很適合于高速切削。但其與基體結合強度低于TiC涂層,且涂層厚時易剝落,一般用于高速車削。
  
  ·TiC-TiN復合涂層
  
  兼具兩種涂層的優點,先涂TiC,再涂TiN使結合強度提高、摩擦力、切削力、切削溫度降低,對高速切削中的粗、精加工都很好。如株硬集團的CN15、CN25(精)、CN35(粗)等。
  
  ·TiC-AL2O3復合涂層
  
  先涂TiC再涂AL2O3,TiC使涂層粘結牢固,AL2O3使涂層具有陶瓷的耐磨性、良好的化學穩定性和抗氧化性。該復合刀片能像陶瓷刀一樣高速切削,同時又避免了陶瓷的脆性、易崩刃的特點,如株硬集團的CA15。該涂層刀具極適合于高速切削,特別適合高速車削。
  
  涂層刀具具有省貴重材料、易制造、使用時間長等特點,既符合環保的需要又為企業增加了經濟效益,所以被廣泛推薦使用。
  
  (2)陶瓷刀具
  
  該材料以氧化鋁為主要成分,在高溫下燒結而成。由于采用了新工藝使其純度提高、晶粒細化,應用熱壓工藝、添加晶須等,克服了陶瓷的熱沖擊性差、強度與韌性低、脆性大的問題,能勝任難加工材料的高速切削,具有廣闊的發展前景。添加了碳化物(主要是TiC)后可提高抗熱裂紋能力,可高速車削HRC60~62的淬硬工具鋼、鉻鎳鉬粉末冶金等“C”形屑塑性材料。氮化硅陶瓷(以氮化硅為主要成分)刀具能對硬度
  
  同時,氮化硅陶瓷刀具的耐熱性和抗高溫氧化性特別好,即使在1200~1450切削溫度時仍能保持一定的硬度和強度進行長時間切削。在一定范圍內高速車削時,切削溫度的升高能改變工件材料的性能,提高陶瓷刀具的韌性,從而減少其破損,所以一般陶瓷刀具均采用干切削。但陶瓷刀具對沖擊和振動載荷比較敏感。機床-工件-刀具工藝系統剛性弱是促使陶瓷刀具壽命降低或崩刃的主要原因。所以,氮化硅陶瓷刀具只適用于高速切削。
  
  (3)超硬刀具材料
  
  超硬刀具材料主要指人造金剛石(JR)和立方氮化硼(CBN)。只使用于高速切削高溫合金、熱噴涂材料、硬質合金及其他難加工材料。
  
  (4)選用合適的刀具幾何角度
  
  根據切削情況,選擇合適的刀具幾何角度,可提高高速加工刀具耐用度及加工效率,如:氧化鋁陶瓷刀具在干切削淬硬鋼情況下美國Valenite公司推薦0.5x30°T形棱面,CBN刀具刃口采用斜面或倒圓及負倒角而不采用大倒棱等。
  
  4.采用*的冷卻技術
  
  由于高速切削高速旋轉的特點,若使用傳統的冷卻方法,冷卻液很難達到冷卻部位,起不到冷卻與潤滑的作用。出于環保與節約的需要,低溫氣體冷卻和MQL-zui小油量潤滑技術在高速切削中逐步得到了推廣應用。
  
  (1)低溫氣體冷卻
  
  低溫氣體冷卻技術就是采用液氮或冷氣以高壓直接噴涂于切削部位,起到冷卻作用。
  
  高速切削時的切削力為傳統切削力和變頻沖擊力雙重作用力的結合,而氮氣下刀具與切屑及工件間更易產生TiN層,TiN具有減摩作用,銑削時,由于摩擦作用所產生的銑削力會減少,所以總切削力也隨之下降,氣體也更易到達切削部位,達到冷卻目的,同時氣體無污染且易得到,對環保更有利。
  
  (2)MQL-zui小油量潤滑技術.
  
  MQL技術主要有氣霧外部潤滑和內部冷卻兩種,廣泛應用于鑄鐵、鋼、鋁合金等的鉆、鉸、攻螺紋、深孔鉆削以及高速車、銑等加工過程中。氣霧外部潤滑是在0.5~0.6Mpa的壓縮空氣(用高壓冷卻泵產生)中添加少量高性能的潤滑油(5-50mL/h),就像是把有限的少量潤滑劑“涂到”切削位置上一樣,使少量潤滑劑得到zui充分的利用。與此同時,高壓氣體起到冷卻和輔助斷屑作用,以降低刀具溫度,防止刀具冷焊。如:德國福鳥(VOGEL)集中潤滑系統的MQL微量潤滑冷卻系統采用(高壓冷卻泵)強制冷卻,屬內部冷卻方式。
  
  5.干式切削技術
  
  干式切削技術是隨著陶瓷刀具的發展提出的,出與環保的考慮,*不用切削液,采用輔助加熱裝置對工件表面局部加熱(如激光加熱、導電加熱等)至一定溫度,以改善材料的可加工性,降低切削力,有助于干式切削的實現。但該技術對刀具的長時間耐熱性(紅硬性)提出了高要求,所以,目前只適用于在高溫下可長時間保持強度、硬度的陶瓷刀具。
  
  干式切削由于受目前工藝條件、工件材料和加工類型的影響,目前尚不是通用技術。
  
  結語
  
  綜合高速切削的特點,可以看出高速切削可以達到節約刀具材料和切削液,節省勞動力,節約自然資源,減少對環境的污染,是實現綠色切削的有效途徑,被*為21世紀制造業實現可持續發展的關鍵性技術之一。

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