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      1. 2020年8月10日 星期三 11:32

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        面向未來的綠色金屬切削加工

        來源: 發布時間:2015-10-24

                1、金屬切削加工的概述 金屬切削加工是指用刀具從工件上切除多余的材料,從而使工件的形狀、尺寸、位置和表面質量均符合技術要求的加工方法。實現這一切削過程必須具備三個條件:工件與刀具之間要有相對運動,即切削運動;刀具材料必須具備一定的切削性能;刀具必須具有適當的幾何參數,即切削角度等。金屬的切削加工過程是通過機床或手持工具來進行切削加工的,其主要方法有車、磨、鉆、齒輪加工、劃線、銼、研、攻螺紋、套螺紋等。其形式雖然多種多樣,但它們有很多方面都有著共同的現象和規律,這些現象和規律是學習各種切削加工方法的共同基礎。而由材料力學理論可知,金屬切削層的材料受到刀具的擠壓作用后應力增大,擠壓層金屬先產生彈性變形,當應力值達到彈性極限后,產生塑性變形,金屬的晶格沿晶面發生滑移,隨著滑移量的增大,金屬切削層與母體金屬產生破裂直至分離從而形成切削。

         

               2、金屬切削加工的技術要點

               2.1、切削力 在切削過程中,刀具切入工件,使切削層變為切屑并沿前刀面流出,同時獲得以加工表面。這不僅需要克服使工件材料產生剪切變形的作用力,還需要克服發生在刀具前、后刀面上的內摩擦阻力。而切削過程中實際切削力的大小,可以利用測力儀測出。測力儀的種類很多,較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測力儀。測力儀經過標定以后就可測出切削過程中各個分力的大小。

               2.2、切削熱 切削金屬時,由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉變為熱,這種熱叫切削熱。同時,切屑、工件以加工表面與刀具間的摩擦,也會消耗一部分功率,從而相應的產生熱量。而使用切削液時,刀具、工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走;不用切削液時,切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出,其中切屑帶走的熱量最大,傳向刀具的熱量雖小,但前面和后面上的溫度卻影響著切削過程和刀具的磨損情況,所以了解切削溫度的變化規律是十分必要的。

               2.3、切削溫度 切削過程中切削區各處的溫度是不同的,形成一個溫度場切屑和工件的溫度分布,這個溫度場影響切屑變形、積屑瘤的大小、加工表面質量、加工精度和刀具的磨損等,還影響切削速度的提高。一般說來,在切削過程中,由于切削力所做的機械工絕大部分轉化為熱能,如果切削熱不及時傳散,則切削區的平均溫度將大幅度的上升。切削溫度的升高,一方面使得切削區工件材料的強度、硬度下降,且使一些耐熱性好、脆性大的刀具材料的韌性有所改善從而切削過程進行比較順利;但更主要的另一方面是切削溫度的升高,會加速刀具的磨損,使工件及刀具產生熱變形,影響加工精度,造成工件表面的熱損傷。

               2.4、影響切屑變形、切削力及切削溫度的因素 影響切屑變形、切削力及切削溫度的因素包括工件材料、切削速度、進給量、切削深度、切削液和刀具前角等。首先工件材料因素,材料的強度越大、硬度越高、塑性越小,則產生的切屑變形也就相應的??;其次是切削速度因素,隨切削速度的上升,切屑變形呈下降趨勢。切削速度達到一定值后,切削力也有下降的趨勢:第三是進給量因素,進給量增大,切削厚度將會增大,切屑的變形程度就會變小,但是由于切削面積會增大,切削力及切削溫度均要上升;第四切削深度,切削深度增大,切屑變形變化不大,但是由于切削面積成正比增大,切削力呈正比增大;第五是切削液因素,切削液的冷卻和潤滑性能越好,切屑變形、切削力及切削溫度三者都會的到改善,因此都會下降;第六是前角的增大,切屑變形會變小,對切削力影響也比較明顯,切削力也會變小,其中在三個方向力中,主要是進給力和背向力受到的影響較大。

         

               3、面向未來的綠色金屬切削加工技術研究

               3.1、綠色金屬切削加工的優點分析 綠色環保切削加工的優點主要體現在減少污染、成本低廉及生產效率高等特點。綠色金屬切削加工方式是不用或使用極少量的切削液,而切削液是金屬切削加工中造成環境污染的一個重要根源。同時從不用或使用極少量的切削液的優點可以看出,生產中不用或使用極少量的切削液,可以減少10%-15%的加工成本,一般為常規切削加工的四分之一。有些可使零件的總成本下降55%。

               3.2、不使用或減少切削液的種類 金屬加工企業都期望使用一種能適用于所有類型金屬切削工藝和所有種類工件材料的切削液,無需因為加工的變化而不斷更換切削液,這樣就可節省時間、提高生產效率??梢韵胂?,要開發這樣一種萬能金屬切削液難度極大,要確保切削液在范圍如此廣泛的金屬加工中仍然具有必需的性能,并不現實。因此,使用用干切削加工代替濕加工,是機械制造業可持續發展的方向。

               3.3、干切削刀具技術 干切削是一項新興制造技術,其在機械加工中,為保護環境、降低成本而有意識地減少或完全停止使用切削液。高速干切削技術是在獲得高精度同時,又限制使用切削液,消除了由切削液帶來的環境污染危害工人健康。增加制造成本和廢液處理成本等負面影響,實現綠色生產。但是實現干式切削的最大技術難題是刀具,他是使干式切削加工得以順利進行的關鍵因素。刀具在切削加工過程中,要承受很大的壓力,同時由于切削時產生的金屬塑性變形以及在無切削液的情況下刀具、切屑、工件相互接觸表面間將產生更強烈的摩擦,使刀具切削刃上產生極高的溫度和受到很大的應力,在這樣的條件下,刀具將迅速磨損或破損,因此干式切削刀具材料應具備更高的耐熱性和熱韌性,良好的耐熱沖擊性、抗粘結性及高的耐磨性。

               3.4、干切削的機床技術 設計干切削機床時主要考慮兩個問題:一個是切屑和灰塵的快速排出;另一個是切削熱的迅速散發。因為在在干切削中,由于沒有切削液的冷卻、潤滑和排屑作用,切削力和切削熱急劇增加。即便是選用超硬刀具材料或者是對刀具表面進行適宜的涂層處理,卻無法避免大量熾熱的切屑堆積在切削區和機床上。這不僅破壞了切削過程,造成切屑的再切削而導致已加工表面惡化,還會使機床溫升和熱變形加劇,嚴重影響加工質量和生產率。首先對于一些無法排出的熱量,則相關部件應采取隔熱措施。為了便于排屑,干切削機床應盡可能采用立式主軸和傾斜式床身。另外,采用吸氣系統可防止工作臺和其它支承部件上熱切屑的堆積。內置的循環冷氣系統用以提高機床工藝系統的熱穩定性。在加工區的某些關鍵部位設置溫度傳感器,用以監控機床溫度場的變化情況,必要時通過數控系統進行精確的誤差補償。

         

              4、結束語 隨著人類對資源和環境保護的日益重視,金屬切削加工的負面影響逐漸引起人們關注。綠色金屬切削加工,是機械制造業可持續發展的方向。為了跟上國際形勢,順應世界切削技術的發展趨勢,我國應加快對綠色金屬切削加工技術的研究。21世紀的制造業對綠色環保的要求越來越高,綠色金屬切削加工技術作為一種對于節省資源、保護環境、降低成本具有重要意義,隨著機床技術和刃具技術及其相關工藝研究的深入,綠色金屬切削加工技術必將成為金屬切削加工的主要發展方向。

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