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东莞市大班金属制品有限公司
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高速切削---实现绿色切削的有效途径


  高速切削的概念
  
  ISO1940标准中规定,主轴转速高于8000r/min称为高速切削加工。但在现实中一般认为,主轴转速10000r/min以上的切削才可称之为高速切削。针对不同的切削方式其特征又有所不同,如车削速度在500m/min以上可称为高速车削,铣削速度在300m/min以上可称为高速铣削,钻削速度在200m/min以上可称为高速钻削等。
  
  高速切削的发展
  
  高速切削的概念最早由德国的Garl.J.Salomon博士于1931年提出,但由于当时的技术、设备情况的限制,没能进行实验。随着技术的发展,实验条件逐步完善,西方发达国家特别是美国于20世纪60年代以后开始重视其发展,并进行了一系列实验,20世纪80年代以后特别是20世纪90年代更是研究得如火如荼,产品的品种日益增多,技术日益完善,宣传和服务更加到位。我国直到20世纪90年代以后才有了比较成熟的产品,如宁夏“小巨人”开发的VTC动柱式立式加工中心(主轴转速10000r/min)、北京机床研究所于2003年研制成的μ10005V立式加工中心等。
  
  高速切削与绿色环保的联系
  
  随着人们环保意识的增强及加入世贸组织后发达国家针对我国绿色壁垒的设置,客观上要求机械产品在制造时尽可能少地消耗能源和污染环境。而机械切削(下简称切削)是机械制造中消耗能源和污染环境的直接原因,所以,人们有针对性地提出了绿色切削(绿色制造)的概念。所谓绿色切削就是指消耗尽可能少的刀具材料、切削液、加工时间和电力,尽可能少地污染环境,来达到某种特定的切削目的的一种切削方式。由于高速切削的特点决定了高速切削可以节省切削液、刀具材料、切削工时,从而节约了自然资源,减少了对环境的污染,提高了生产效率和产品质量,达到“绿色切削”的目的。
  
  高速切削的特点
  
  1.切削力小、振动频率低
  
  切削形成的过程分为挤压塑性变形和撕裂两个阶段,工件受切削力和切削热影响而发生塑性变形主要在这个阶段。由此可知:切削速度越高,塑性变形的时间越短使剪切变形区域越窄,剪切角越大,变形因子越小以及切屑流出速度越快(切屑中的热量占切削热的80%)、传入工件和刀具中的热量越小,所以高速切削可使切削变形机率平均降低30-40%以上,十分适合于刚性较差和薄壁零件的切削加工。
  
  从动力学角度分析频率的形成可知,切削力的降低将减小由于切削力产生的振动(即强迫振动)的振幅。转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率,避免共振的发生。因此,高速切削可大大降低加工表面粗糙度,提高加工质量。
  
  2.机床本身特征
  
  高速切削机床应用了目前最先进的技术,是集机、光、电、气、液压为一体、采用目前所已知的最适合机床的复合材料所制成的尖端技术产品。所以高速切削机床除主轴转速高外,相对于普通数控机床,其自动化程度(又称智能化)更高、功率更大、切削材料硬度较高(可高速切削HRC50-54甚或HRC60的材料)、精度更高(达到0.001mm甚至0.0001mm)、切削和进给速度更高(是普通数控机床的几倍甚至几十倍);由于广泛采用伺服电机,其传动系统机械结构简化且传动可靠;采用复合材料或人造大理石为基座或工作台使机床刚性得到显著提高,这些都使零件的尺寸精度得以极大提高。
  
  3.使用先进的刀具
  
  由于高速切削的毛坯比较规则或经过预处理,而且机床刚性好、切削力小、振动小,所以其刀具破损失效的概率极小甚至可以忽略不记。高速切削时主轴转速高、切屑流出速度很快、切削过程极短,发生粘结的可能性很小。根据刀具磨损的几种形式分析,只有相变磨损、扩散磨损、氧化磨损、热裂磨损等,而这些均属于热磨损范畴,所以,决定高速切削刀具失效的因素主要是刀具材料的热性能,如熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能和抗热冲击性能等,其次为刀具的几何角度。
  
  目前常用的刀具材料有以下几种:
  
  (1)涂层硬质合金刀具
  
  涂层硬质合金刀具是60年代出现的新型刀具材料。它是采用化学气象沉积法或其他方法在硬质合金或高速钢表面涂附一薄层(约5~10μm)耐磨的难熔金属化合物,可在一定程度上提高刀具的综合切削性能,在同样情况下其切削速度比普通硬质合金或高速钢刀具高40%左右,对比情况如图一所示:
  
  涂层材料有TiC、TiN、AL2O3等几种或两种及两种以上的复合使用。以下将分别予以说明:
  
  ·TiC涂层
  
  TiC涂层具有很高的硬度与耐磨性,抗氧化性也较好,切削时能形成氧化钛薄膜降低摩擦系数,减小刀具磨损,使切削速度提高40%以上,比较适合高速切削。TiC涂层与钢的粘结温度高,表面晶粒很细,切削时很少产生积屑瘤,比较适合于高速精密车削。缺点是线膨胀系数与基体差别较大,因此,高速车削或铣削硬材料、高温合金或带夹杂物工件时,涂层易崩裂。
  
  ·TiN涂层
  
  TiN涂层在高温时能形成氧化膜,与铁基材料摩擦系数较小,抗粘结性能好、有效的降低了摩擦力与切削温度,TiN涂层刀片抗月牙洼及后刀面磨损能力比TiC涂层刀片强,最适合切削钢与易粘刀的材料,使加工表面粗糙度减小,切削速度提高。此外TiN涂层抗碎裂性与抗热震性能也较好,这很适合于高速切削。但其与基体结合强度低于TiC涂层,且涂层厚时易剥落,一般用于高速车削。
  
  ·TiC-TiN复合涂层
  
  兼具两种涂层的优点,先涂TiC,再涂TiN使结合强度提高、摩擦力、切削力、切削温度降低,对高速切削中的粗、精加工都很好。如株硬集团的CN15、CN25(精)、CN35(粗)等。
  
  ·TiC-AL2O3复合涂层
  
  先涂TiC再涂AL2O3,TiC使涂层粘结牢固,AL2O3使涂层具有陶瓷的耐磨性、良好的化学稳定性和抗氧化性。该复合刀片能像陶瓷刀一样高速切削,同时又避免了陶瓷的脆性、易崩刃的特点,如株硬集团的CA15。该涂层刀具极适合于高速切削,特别适合高速车削。
  
  涂层刀具具有省贵重材料、易制造、使用时间长等特点,既符合环保的需要又为企业增加了经济效益,所以被广泛推荐使用。
  
  (2)陶瓷刀具
  
  该材料以氧化铝为主要成分,在高温下烧结而成。由于采用了新工艺使其纯度提高、晶粒细化,应用热压工艺、添加晶须等,克服了陶瓷的热冲击性差、强度与韧性低、脆性大的问题,能胜任难加工材料的高速切削,具有广阔的发展前景。添加了碳化物(主要是TiC)后可提高抗热裂纹能力,可高速车削HRC60~62的淬硬工具钢、铬镍钼粉末冶金等“C”形屑塑性材料。氮化硅陶瓷(以氮化硅为主要成分)刀具能对硬度
  
  同时,氮化硅陶瓷刀具的耐热性和抗高温氧化性特别好,即使在1200~1450切削温度时仍能保持一定的硬度和强度进行长时间切削。在一定范围内高速车削时,切削温度的升高能改变工件材料的性能,提高陶瓷刀具的韧性,从而减少其破损,所以一般陶瓷刀具均采用干切削。但陶瓷刀具对冲击和振动载荷比较敏感。机床-工件-刀具工艺系统刚性弱是促使陶瓷刀具寿命降低或崩刃的主要原因。所以,氮化硅陶瓷刀具只适用于高速切削。
  
  (3)超硬刀具材料
  
  超硬刀具材料主要指人造金刚石(JR)和立方氮化硼(CBN)。只使用于高速切削高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料。
  
  (4)选用合适的刀具几何角度
  
  根据切削情况,选择合适的刀具几何角度,可提高高速加工刀具耐用度及加工效率,如:氧化铝陶瓷刀具在干切削淬硬钢情况下美国Valenite公司推荐0.5x30°T形棱面,CBN刀具刃口采用斜面或倒圆及负倒角而不采用大倒棱等。
  
  4.采用先进的冷却技术
  
  由于高速切削高速旋转的特点,若使用传统的冷却方法,冷却液很难达到冷却部位,起不到冷却与润滑的作用。出于环保与节约的需要,低温气体冷却和MQL-最小油量润滑技术在高速切削中逐步得到了推广应用。
  
  (1)低温气体冷却
  
  低温气体冷却技术就是采用液氮或冷气以高压直接喷涂于切削部位,起到冷却作用。
  
  高速切削时的切削力为传统切削力和变频冲击力双重作用力的结合,而氮气下刀具与切屑及工件间更易产生TiN层,TiN具有减摩作用,铣削时,由于摩擦作用所产生的铣削力会减少,所以总切削力也随之下降,气体也更易到达切削部位,达到冷却目的,同时气体无污染且易得到,对环保更有利。
  
  (2)MQL-最小油量润滑技术.
  
  MQL技术主要有气雾外部润滑和内部冷却两种,广泛应用于铸铁、钢、铝合金等的钻、铰、攻螺纹、深孔钻削以及高速车、铣等加工过程中。气雾外部润滑是在0.5~0.6Mpa的压缩空气(用高压冷却泵产生)中添加少量高性能的润滑油(5-50mL/h),就像是把有限的少量润滑剂“涂到”切削位置上一样,使少量润滑剂得到最充分的利用。与此同时,高压气体起到冷却和辅助断屑作用,以降低刀具温度,防止刀具冷焊。如:德国福鸟(VOGEL)集中润滑系统的MQL微量润滑冷却系统采用(高压冷却泵)强制冷却,属内部冷却方式。
  
  5.干式切削技术
  
  干式切削技术是随着陶瓷刀具的发展提出的,出与环保的考虑,完全不用切削液,采用辅助加热装置对工件表面局部加热(如激光加热、导电加热等)至一定温度,以改善材料的可加工性,降低切削力,有助于干式切削的实现。但该技术对刀具的长时间耐热性(红硬性)提出了高要求,所以,目前只适用于在高温下可长时间保持强度、硬度的陶瓷刀具。
  
  干式切削由于受目前工艺条件、工件材料和加工类型的影响,目前尚不是通用技术。
  
  结语
  
  综合高速切削的特点,可以看出高速切削可以达到节约刀具材料和切削液,节省劳动力,节约自然资源,减少对环境的污染,是实现绿色切削的有效途径,被公认为21世纪制造业实现可持续发展的关键性技术之一。 
 

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