汽車零件加工中對應的環保技術——鋁件的干式切削加工

時間:2011-06-03 08:30:08 來源:未知

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圖1 環保技術的分類

圖2 機械加工能源消耗內部構成比

圖3 半干式切削加工系統

圖4 噴霧裝置

保護地球環境是21世紀最優先考慮的課題。在機械加工領域，一些保護環境措施的研究開發及其成果已得到廣泛應用。其中，對節約能源和減少廢物的主要加工方式，即干式、半干式加削加工技術的研究，正在加速進行。在銑削加工、齒輪的切齒加工等方面已實用化，并取得令人滿意的效果。但在鋁件特別是鋁件的孔加工方面，由于產生鋁屑粘刀而導致刀具折斷、加工精度惡化，這一問題有待于進一步研究解決，目前鋁件的孔加工采用干式加工的實例還不多。

數年前，日本アイシン精機株式會社開始對鋁件的半干式切削加工技術進行了研究，其研究成果已在6種產品、7條生產線上使用。本文將該公司的研究成果及實用化實例介紹如下。

環保技術的發展動向

在機械加工領域，有各種各樣的環保技術，大體上可分為節約能源、減少廢棄物、確保工作環境安全、舒適性三大類(見圖1)。

在節約能源方面有：減少液壓管路的阻力而使切削液泵的規格減小和無液壓化等。通常情況下，工作中即使泵的額定功率很小，但它消耗的功率一般都很大，特別是切削液所消耗的功率要占總功率的60%以上(見圖2)，因此，前述技術對節約能源是切實有效的。

減少廢棄物主要是指減少切削液的廢液量。各公司都在致力于切削液的長效化和重復循環使用等技術的開發與應用。在切削液長效化(長壽命化)方面，切削液的合成化是開發的項目之一。由于合成切削液是以化學合成的油劑為基液來使用的，因此，應充分注意它和水的親和性，能夠人為地設計分子量等。由于鈣等的金屬離子與其它油的混合而導致界面活性劑的惡化，所以油水分離等都是可控制的有利一面；同時也應充分注意對設備的不利影響(如滑動部分潤滑液被洗掉及泄漏對電氣系統的影響)和廢水可處理性。

在確保工作環境安全及舒適性方面，該公司最近正致力于切削液的氯游離化的研究。氯系化合物作為高壓潤滑油添加劑含在高負荷用切削液中，在高溫切削和廢油燃燒處理時，可產生劇毒物，因此，氯系切削液已從JIS標準中廢除。目前各切削液生產廠家正在進行氯游離化的研究開發，以不斷完善與原有切削油性能相同的新型切削液。?

干式切削加工技術開發的主要思路

該公司考慮到鋁制工件較多，一些孔加工刀具制造廠家和科研機構對干式切削加工技術的開發實例很少，從而決定自行研究開發，把鋁件的鉆削、攻絲、鉸削和鏜削加工方法作為研究開發的目標。

在干式切削加工中，選擇了潤滑、冷卻和排屑性能優良的半干式切削加工，霧狀切削劑供給方式把外部混合內部供給方式作為研究開發的主要內容(見圖3)。外部混合方式與赫克斯公司等提倡的內部混合方式比較，其可供給的噴霧量少。但作為技術核心的噴霧生成部分開發的自由度大、主軸內部結構不需做大的改動，因此，可在所有制造廠家生產的設備上采用。

關于切削加工效率(進給速度F)和加工精度，目前還處于研究階段，最終結果是效率和精度應優于濕式切削。該公司是以國內外的標準檢查程序為基準來設定目標值。?

#p#分頁標題#e#技術開發

噴霧的生成及供給技術
通過對所有切削加工方法的分析表明，噴霧的生成和供給技術十分重要。該技術的相關課題見下表。
分類項目噴霧生成
不受刀具規格影響的穩定的噴霧生成；
提高噴霧生成量；
控制噴霧量和噴霧壓力
噴霧供給
控制管道內噴霧的凝結；
降低噴霧壓力損失
維修保養和管理
噴霧生成狀態監控、異常狀態檢測
表噴霧生成供給的課題

一般情況下，噴霧是在文丘里(Venturi)噴管部分借助空氣壓力把油吹散而生成的。噴霧的生成能力主要與文丘里噴管前后的空氣壓力差(以下稱差壓)有關。但由于小直徑刀具的油孔(以下為O/H)直徑小而不能確保充足的差壓，噴霧量下降很大。為克服這一缺點，有時將部分噴霧(只限空氣部分)排放，以確保足夠的差壓，但要浪費空氣。此外，由于是離散控制，不能進行每種刀具的準確控制，由于O/H斷面積不同而導致差壓發生變化，噴霧量就很不穩定。為解決這一問題，開發出靠從橫向吹散油劑的結構，以確保即便在較小差壓條件下，也能獲得大噴霧能力的特殊的文丘里和即便在不同O/H斷面積條件下，也能保持差壓恒定(穩定)的新技術(見圖4)，該技術的特點是不受刀具規格的限制，能穩定地確保噴霧潤滑劑的供給。此外，該技術在廢除彎管接頭配管后，采用空氣增加器和中間緩沖措施，實現了最大限度地減少噴霧潤滑劑的壓力損失及潤滑劑的凝結，提高了排屑性能。

材料:ADC12，f5×15，p=0.4MPa，q=30ml/h
v=157m/min，f=0.2mm/r，F=2000mm/min
圖5 即將折斷前刀尖的磨損情況

圖6 刀尖溫度和能否加工的關系

圖7 鉆頭折斷過程的推測
鉆削加工
由于鉆削加工單位時間內切屑的切除體積大，所以散熱性很差。現以M6的底孔為例，其目標值進給速度設定為6000mm/min。在開始基礎試驗中，由于切屑粘刀造成切屑在鉆溝中堵塞而導致鉆頭折斷(見圖5)。在提高轉數度試驗時發現，鉆削能否正常進行與鉆尖的溫度密切相關(見圖6)，根據圖7所示，為此對鉆尖折斷的過程進行推測，把鉆頭溫度作為評價的項目之一進行了研究。

圖8 噴霧冷卻劑供給方式
材料:ADC12，f5×15，p=0.4MPa
q=30ml/h，v=157m/min
f=0.4mm/r，F=4000mm/min
圖9 不同噴霧冷卻方式對刀尖溫度影響的比較
圖10 鉆頭參數對鉆頭溫度的影響
#p#分頁標題#e#材料:ADC12，f5×15，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
圖11 合理修磨橫刃的效果供給方式
材料:ADC12，f5×15，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=57m/min
f=1mm/r，F=3000mm/min
圖12 刀具磨損量比較

通常，噴霧冷卻劑是從鉆頭部分噴出，但實際鉆削時間很短，只有在這段時間，噴霧冷卻劑才起作用。此外，冷卻劑噴射到鉆頭溝槽內可抑制粘刀，但切屑的不利影響依然存在。因此，把冷卻劑供給的結構做成也可從鉆頭外周噴射冷卻劑的結構形成(見圖8)，我們把這種模式稱作“通過鉆頭排屑溝模式”，其彈簧夾頭孔部形成溝道，鉆頭柄部形成溝道、孔等的結構形式，根據不同的切削加工方法，其結構形式也有所不同。采用這樣的結構形式，利用接近、軸移動等非切削時間可使霧狀冷卻劑粘附在鉆溝上，可獲得霧狀冷卻劑的冷卻效果(見圖9)。但應注意的是，如設計不當，就不能獲得充分的冷卻潤滑效果，相反還會出現阻礙切屑的排出。
為了確定合理的刀具形狀，對不同的刀具幾何參數形狀對刀尖溫度的影響進行了調查(見圖10)，調查結果表明，橫刃修磨、芯厚和油孔(O/H直徑)對鉆尖溫度影響大，其中橫刃修磨的影響最大。盡管橫刃部分的切削性能不好，但修磨成3個前傾面可使切屑排出通暢(見圖11)。由此可知，充分注意切屑的流動性至關重要。
對鉆頭進行涂層處理可改善切屑粘刀。涂層材料有很多，但效果好的涂層是DLC(Diamond Like Carbon)涂層和超微細結晶金剛石涂層(晶粒直徑1µm左右，比普通金剛石涂層表面更光滑)。特別是超微細結晶金剛石涂層的效果更佳，即使F=10000mm/min，也不會產生粘刀。然而這兩種涂層在結合強度、成本等方面還存在一些需解決的難題，有待以后加以解決。
由于新增了以上技術(涂層除外)，能夠達到F=6000mm/min的進給速度。由大量生產中鉆頭磨損的評價結果見圖12(在此例中因工件剛性小，鉆頭長，進給速度有所降低)，由圖可知，半干式鉆削磨損小，可實現良好的鉆削效果。

材料:ADC12，M6，深度12mm，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
圖13 絲錐形狀引起小崩損量的變化

材料:ADC12，M6，深度12mm，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
圖14 噴霧冷卻劑供給方式對形狀誤差的影響

圖15 絲錐磨損量和牙型
螺紋加工
在螺紋加工中，有切削加工法、搓制法和銑制法。下面介紹的是關于螺紋加工的研究開發實例，其目標是使螺紋加工精度達到JIS2級、牙形優于濕式加工的牙形、進給速度F=3000mm/min。
螺紋加工的技術課題是控制由于切削性能低下而產生擠裂切削，把擠裂切削將發生前的牙形放大后觀察，右牙形面的小崩損量比濕式切削大。高速螺紋加工采用螺旋絲錐，其切削刃的工作前角為負前角，切削性能差，在濕式攻絲時沒有問題，但在半干式切削時就有很大影響。因此，用試驗方法對不同螺旋角和前角導致小崩損量的變化情況進行了評價，其結果是螺旋角小、前角大，可大幅度減少崩損量(見圖13)。另外，采用前節所述的合理的刀具內外同時供給噴霧冷卻劑的方法，在盲孔和通孔攻絲時都能得到良好的螺紋牙形(見圖14)。由大量生產加工刀具磨損的評價結果見圖15，由圖可知，其磨損量比濕式攻絲還小，且螺紋牙形也很好。
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材料:ADC12，f18.4×12，p=0.4MPa，q=30ml/h
v=178m/min，f=0.1mm/r，F=300mm/min
圖16 基礎試驗中產生的粘屑狀況
圖17 刀具開發
鉸削加工
下面介紹的是關于一次將大加工余量孔完成鉸削加工的研究開發實例(f2mm左右)，其目標是使孔的表面粗糙度達到3.2Rz，圓度為0.05，進給速度為F=2000mm/min。鉸削加工的技術課題是抑制刀尖和深孔鉸刀導向塊的粘屑。將硬質合金拋光鉸刀進行基礎試驗后的刀具磨損狀況示于圖16。鉸削加工要求獲得高精度的加工質量，因此，即使是極小的粘刀，也會影響鉸孔的質量。為了抑制切削刃產生粘刀，對鉸刀的螺旋角、涂層和切削刃的材質等進行了試驗，結果表明，切削刃材料采用合成金剛石的效果最佳。
過去，深孔鉆的導向塊和已加工面接觸能確保良好的圓度和表面粗糙度，因此，硬質合金部分和已加工表面接觸能抑制粘屑，把切削刃做成有刃帶的結構而形成臺階式多刃表面，讓只有刃帶部分接觸已加工面，這樣可降低形成已加工面的切削刃負荷，確保良好的導向性和提高加工精度(見圖17)。
設備
在干式切削加工中，設備、切屑處理很重要。在干式切削加工中，由于沒有切削液沖洗排屑，切屑易在夾具、床身上產生堆積及粘附在刀具基準面上而發生支承異常。為解決這些問題，從設備制定標準規格階段就應考慮到干式切削加工，應設計相應的床身、導軌、夾具及防護罩等。具體來說就是要進行在產生切屑的正下方設置切屑回收中心槽、設置工件裝卸時吹去基準面上切屑的空氣噴射裝置及對夾具、切屑防護罩進行潤滑性涂層處理等。但在自動傳送線方面，還有開發機內清洗裝置的課題。