冷风切削加工对不锈钢加工表面的效果

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不锈钢材料广泛用于医疗器械、建筑材料、汽车部件以及家用电器。但是，由于不锈钢的切削性较差，被称为难切削材料。在切削条件设置不当、工作机械刚性不好的情况下，不锈钢会显示出令人吃惊的难切削性。另外，采用传统的切削方法，切削加工过程中要使用切削液，以达到冷却和润滑以及排出切屑的目的。切削液分为两种，一种是水不溶性矿物质切削液，另一种为水溶性切削液，也称为乳化液。后者冷却性好，价格低，被广泛用于生产加工中，但由于润滑性能比前者差，在使用中为提高润滑性能往往要使用添加剂。当前使用的添加剂中，大多含有硫、磷、氯等有害成分。这些有害成分在切削加工过程中，挥发到空气中，对操作人员的身体健康会带来很大危害。试验所用不锈钢材料为计算机中硬盘驱动电机中的零件。在对传统的切削方法进行调查之后，研究了用冷风冷却，微量植物油润滑的加工方法。以期达到提高加工精度、延长刀具寿命的目的，由此为实现ISO14000的要求奠定基础。

1 不锈钢材料特性和切削问题

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不锈钢材料分为马氏体、铁素体和奥氏体三种。不锈钢材料的特性以及由此产生的切削问题分以下三点说明。
(1)加工硬化性大：

切削过程中，被加工材料产生塑性变形，由此被加工表面形成硬化层。硬化层的出现会加剧刀具的磨损，特别是刀具的边界磨损。
(2)导热率低：

切削加工产生的热量70%～80%是由切屑带走。但是，材料的导热率低时，切屑带走的热量就少。切削点的温度上升，刀具寿命就会变短。
(3)亲和性大：

被加工材料的亲和性大，易使刀尖产生积屑瘤和后刀面产生附着物，从而使被加工表面精度下降。

试验所用材料为铁素体不锈钢，日本国内牌号为SUS430F，化学成分如表所示。
" I, d9 a4 E5 j' A ]* w# j! A1 ]- n# |2 P7 q: l/ W& f( Y. T# }9 [3 K! u+ b, L1 b: X" G: K7 r$ |1 L. r, d) B8 I. ~0 z6 t* ]8 e2 E. p. m

表　SUS430F化学成分

质量分数w/%
C % }$ E8 ] J+ t& x: F t) r* ]: ~	S	Mn * W6 x' f/ K, w7 t/ t1 O3 f	P - T- R/ ]% \6 f1 U5 U3 I2 L	Ni " f" }( ^& R/ {' a! A, t	S	Cr |1 O) P z. r, [' i	Mo 3 ~7 |# t9 E4 t/ h: H( }/ z. G	Fe
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2　冷风加工试验

一般切削方法要大量使用切削液，进行冷却和润滑，以期达到提高刀具寿命和表面粗糙度的目的。而冷风切削加工方法是将-10℃～-30℃的冷风对切削点进行冷却的同时，对刀具前后刀面供给微量植物油，以此起到降低切削温度以及润滑的作用。
1 N4 V8 d$ t+ o" |! ^! K2 c& b# e, m! J9 y' O/ N& l

图1　试验装置系统示意流程图

2.1　bluebe切削液和冷风供给系统
2.1.1　bluebe切削液LB-1
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bluebe切削液是美国航空航天产业针对难削材加工所开发的高润滑性能切削液，它是从天然植物油中提取出来的，属于天然有机物，自然分解率比矿物质切削液高，对环境没有公害，对人体没有毒性。
2.1.2　冷风和微量切削液供给装置

试验装置见图1和图2。如图1所示，空气压缩机产生的压缩空气，一条通过bluebe给油机同bluebe切削液混合雾化供给刀具的前刀面以及后刀面，另一条通过涡流式冷却管被冷却到-10℃～-20℃供给切削点。 * m% `: M0 r! ]/ K" j8 k, s" Z$ e. D' s1 t

图2　试验装置

2.2　试验条件和目的 ( g2 A/ z2 A0 [2 ?$ m3 a

刀具：硬质合金K10；切削速度v=150 m/min；进给量f=0.055 mm/r；切削深度a_p=0.1mm。 ' N* t5 M( M: n

为同一般切削方法进行比较，试验也使用了水不溶切削液GM15(日本国内牌号)。试验分为3种情况： % D8 i3 W3 W2 C p" b; t+ g. t

1 H# `/ q" g! D) X) X$ h
• 使用水不溶性切削液GM15。
• 使用-10℃冷风，不加bluebe微量切削液。
• bluebe微量切削液同-10℃冷风同时使用。

在以上给定的试验条件下进行研究，对所得到的试验结果进行分析比较，从而对冷风加工的效果进行评价。
2.3　试验结果与讨论
0 Q/ u2 i4 x& M$ B) w5 i$ @1 h" U, G8 t M8 B: s7 V) @1 e

试验c 图3　K10刀具磨损显微成像以及加工表面显微成像

2.3.1　积屑瘤 F0 K" o$ U( p

如图3所示，使用水不溶性切削液GM15时刀具的刀尖处形成了积屑瘤。积屑瘤的产生、成长以致于脱落，既不规则也不稳定。脱落下来的积屑瘤一部分被切屑带走，另一部分会粘附在被加工表面，造成已加工表面粗糙度下降。有人认为积屑瘤有保护刀具的作用，但实际上积屑瘤在脱落时往往会将部分刀具材料同时带走，从而加剧了刀具的磨损。因此，积屑瘤对于精密切削来讲，是非常有害的。与此相比，仅供给冷风的切削试验b和同时使用bluebe微量切削液与冷风的切削试验c，刀具刀尖部的积屑瘤比试验a明显减少。这说明冷风切削对减少积屑瘤有非常明显的效果。另外bluebe微量切削液可以浸透到刀具后刀面和被加工表面之间以及刀具前刀面和切屑间，减少两者之间的摩擦，进而使积屑瘤减少。 " Y' _- U) a9 Y! e' H) Q3 n; _( M9 d O

图4　K10刀具的磨损曲线 8 t( E4 I# r% d$ b

图5　表面粗糙度变化曲线

2.3.2　刀具的磨损

如图4可以看出，试验a和试验c的刀具磨损量相近，而试验b的刀具磨损较大，这表明bluebe微量切削液在减少刀具磨损方面起着重要的作用。
2.3.3　加工表面

随着积屑瘤的减少，加工表面的精度提高了。虽然试验a和试验c的刀具磨损量相近，但由于试验c的表面粗糙度得到改善，同时也就延长了刀具的寿命。如图4和图5所示，试验c的加工表面状况最理想。在其他的冷风试验中还发现，bluebe微量切削液供给到刀具的后刀面效果为最好。
2.3.4　冷风加工符合环境保护的要 + g3 W" \' a4 d) N q" V

大量切削液的使用对于提高产品精度起了很大作用，但是随着现代切削技术的发展和环境保护的限制，它又将被使用微量植物油的冷风切削加工技术所代替。 0 [: g& Z; J y3 D7 ~

一般切削加工所产生的废液要经过高温燃烧处理。随着产业的扩大，废液的燃烧处理会加速地球的温室效应，从而对环境造成很大影响。在发达国家，废液处理成本在逐年上升，这也是企业生产成本上升的主要原因之一。冷风切削加工产生的切屑可直接作为再生资源得到利用，从而实现了清洁生产模式，这对保护环境有着非常重大的意义。 ( f' Y9 ]7 L4 T9 a$ s# Q1 E0 E

3　结论

本研究针对不锈钢SUS430F的难削性，从一般切削方法入手，分析了在使用硬质合金K10刀具和水不溶性切削液GM15时所出现的问题。进而采用冷风切削加工技术，解决了一般切削加工方法的弊端，得到了满意的结果。由上述研究可得出以下结论。

3 b+ F5 y' X( [0 M- c
1. 使用水不溶性切削液GM15时，刀尖处易形成积屑瘤，直接影响了加工表面的精度和刀具使用寿命。
2. 冷风和微量植物性切削液同时使用时，提高加工表面精度的同时也延长了刀具寿命。
3. 冷风切削加工可降低生产成本。 ; A& e# x/ `- |) A x
4. 微量植物性切削液可防止加工出来的零件生锈。
5. 冷风切削加工技术可防止环境污染。