绿色加工工艺--干和准干切削(三）

谦羽若风

　　MQL润滑使用对人健康无害的植物油或脂油，其用量又极少，一般每小时的用量只有十几到几十毫升，仅为传统湿切削加工切削液用量的几万分之一。加工后刀具、工件和切屑都保持干燥，切屑无需处理便可回收利用，因而这种使用MQL润滑的切削又被称为准干切削(Near-dry Cutting)。
　　MQL润滑的准干切削效果相当好，曾经有人使用涂有TiAIN+MoS2涂层的钻头，对铝合金材料工件钻孔，采用纯粹的干切削钻16孔后，切屑就粘连在钻头的容屑槽，使钻头不能继续使用，采用MQL润滑后，钻出320个合格孔后，钻头还没有明显的磨损和粘连。日本稻崎一郎等人曾用直径f10mm的硬质合金端铣刀，以60m/min的切削速度铣削碳钢，比较干切削、吹高压空气、湿切削(250L/h切削液)和准干切削(20mL/h切削油)四种加工方式的刀具磨损。尽管准干切削所使用的切削液不及湿切削的万分之一，但其铣刀后面的磨损不仅大大低于干切削，且与湿切削相近甚至略低。
　　采用MQL润滑的准干切削，除了需要油气混合装置和确定最佳切削油量外，还要解决一个关键技术问题，就是如何保证极微量的切削油顺利送入切削区。最简单的办法，当然是从外部将油气混合物喷向切削区，但这种外喷法有时并不很有效，比如加工较深的孔。更有效的办法是让油气混合物经过机床主轴和工具中间的通道喷向切削区，称为内喷法。内喷法按照切削油和压缩空气在进入机床主轴之前混合还是在进入之后混合，又进一步分为外部混合式和内部混合式。
. a0 K5 T  T& y0 U* M1 z9 C2 {7 f　　机床制造商为适应市场需求，相继推出准干切削的机床，如德国Hueler Hille公司的500/630 T高速加工中心，就可提供进行准干切削的品种；日本丰田工机的小型高速加工中心Piccocenter，则是专门为准干切削小型铝合金零件设计的。上述两种准干切削机床，都是通过内喷法进行MQL润滑。内喷法的效果良好，但也存在不可忽视的缺点：使机床主轴和工具系统的结构变得复杂；当主轴转速过高时受离心力作用影响，切削油易附在主轴和工具的内孔壁不易达到切削区，目前情况主轴转速一般不宜超过20000-30000r/min。
　　在特殊气体氛围中进行干切削
" ~* o3 u3 @8 e1 z! V　　试验表明，在某些特殊气体氛围中进行干切削加工，有利减少刀具磨损，从而发展成为干切削技术的另一分支。
& \2 ^# f$ k0 V( _5 J$ t8 Z; Q1 P5 h　　在氮气氛围中进行干切削(吹氮加工)
3 ]5 g% F0 n  w# m7 l　　氮气占空气的79%，吹氮加工使用的氮气可借助氮气生成装置除去空气中的氧、水份和CO2而获得，然后经由喷嘴吹向切削区。氮气是不燃性气体，如果切削加工在氮气氛围中进行自然不会起火，这对干切削加工具有易燃性的镁合金很有意义(湿切削加工时镁屑处理是个难题)。更重要的是氮气氛围抑制刀具的氧化磨损，可保护刀具涂层和防止切屑粘连到刀具，能提高刀具的耐用度。日本人曾经作过吹氮加工和其它加工方式端铣碳钢的对比试验，发现吹氮加工的刀具磨损，特别是后刀面磨损比干切削(或者吹空气)加工时低得多。
) V: Q9 _9 {1 D2 Z0 F　　干式静电冷却技术
! ]1 F  f- b+ n) q3 K8 y; _8 L　　这是原苏联在上世纪80年代发明的干切削技术，其基本原理是通过电离器将压缩空气离子化、臭氧化(所消耗的功率不超过25W)，然后经由喷嘴送至切削区，在切削点周围形成特殊气体氛围。这样不仅降低切削区的温度，更重要的是能在刀具与切屑和刀具与工件接触面上形成起润滑作用的氧化薄膜，并使被加工表面呈压缩压力(可增加零件使用寿命)。俄罗斯罗士技术公司曾对此作大量试验，发现在多数情况下，采用干式静电冷却技术的刀具寿命与湿切削相当或超过，在少数情况下，也能达到湿切削时刀具寿命的0.8-0.9。据介绍，目前在俄罗斯的国防和汽车企业中，大约已有5,000台使用此项技术的机床。
' i, m, {! i9 p; m$ X/ W　　冷风干切削
( {! z8 Z9 u+ `; k9 D) f" p* u3 E; H　　把除去水份的干燥空气经空气冷却器冷至-30℃，再经由尽可能靠近切削点的风嘴把冷风送至切削区，可使切削区的温度大大下降，同时引发被加工材料的低温脆性，使切削过程较为容易，并相应改善刀具磨损状况。由于冷风无润滑作用，一般需同时向切削点喷少量对人体无害的植物油。空气冷却装置耗能大和风嘴噪声大，是此项技术的缺点。日本丰田工机公司曾试验用冷风取代磨削液，但发现当磨除率较大时，工件的硬度有所降低，故目前只适合用于精、微磨削。
　　结语
　　干切削加工从根本上解决了切削液带来的弊端，不仅有利于保护环境和工人健康，而且可以降低加工成本，无疑是一种很有发展前途的绿色零件加工工艺。据资料报道，在欧洲的大批量机械加工中，目前大约有10%-15%的加工使用干或准干切削，而干切削技术的研究开发工作，近十余年已经成为制造工程和企业界人士关注的热点之一。无论在实际生产应用还是在研究开发方面，中国与国外都存在相当差距，需要采取措施加快发展步伐。应该看到，重视环保是时代潮流，本世纪在中国推行干和准干切削技术也是大势所趋。
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