汽車零件加工中的環(huán)保技術(shù)--鋁件的干式切削加工

  廖先富

    保護(hù)地球環(huán)境是21世紀(jì)最優(yōu)先考慮的課題。在機(jī)械加工領(lǐng)域，一些保護(hù)環(huán)境措施的研究開發(fā)及其成果已得到廣泛應(yīng)用。其中，對節(jié)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(shù)的研究，正在加速進(jìn)行。在銑削加工、齒輪的切齒加工等方面已實(shí)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(chǎn)生鋁屑粘刀而導(dǎo)致刀具折斷、加工精度惡化，這一問題有待于進(jìn)一步研究解決，目前鋁件的孔加工采用干式加工的實(shí)例還不多。 

    數(shù)年前，日本アイシン精機(jī)株式會社開始對鋁件的半干式切削加工技術(shù)進(jìn)行了研究，其研究成果已在6種產(chǎn)品、7條生產(chǎn)線上使用。本文將該公司的研究成果及實(shí)用化實(shí)例介紹如下。 

    環(huán)保技術(shù)的發(fā)展動向 

    在機(jī)械加工領(lǐng)域，有各種各樣的環(huán)保技術(shù)，大體上可分為節(jié)約能源、減少廢棄物、確保工作環(huán)境安全、舒適性三大類。 

    在節(jié)約能源方面有：減少液壓管路的阻力而使切削液泵的規(guī)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，因此，前述技術(shù)對節(jié)約能源是切實(shí)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(fù)循環(huán)使用等技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。在切削液長效化(長壽命化)方面，切削液的合成化是開發(fā)的項(xiàng)目之一。由于合成切削液是以化學(xué)合成的油劑為基液來使用的，因此，應(yīng)充分注意它和水的親和性，能夠人為地設(shè)計(jì)分子量等。由于鈣等的金屬離子與其它油的混合而導(dǎo)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(shí)也應(yīng)充分注意對設(shè)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(tǒng)的影響)和廢水可處理性。 

    在確保工作環(huán)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(fù)荷用切削液中，在高溫切削和廢油燃燒處理時(shí)，可產(chǎn)生劇毒物，因此，氯系切削液已從JIS標(biāo)準(zhǔn)中廢除。目前各切削液生產(chǎn)廠家正在進(jìn)行氯游離化的研究開發(fā)，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(shù)開發(fā)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(jī)構(gòu)對干式切削加工技術(shù)的開發(fā)實(shí)例很少，從而決定自行研究開發(fā)，把鋁件的鉆削、攻絲、鉸削和鏜削加工方法作為研究開發(fā)的目標(biāo)。

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

    關(guān)于切削加工效率(進(jìn)給速度F)和加工精度，目前還處于研究階段，最終結(jié)果是效率和精度應(yīng)優(yōu)于濕式切削。該公司是以國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?yàn)榛鶞?zhǔn)來設(shè)定目標(biāo)值。 

    技術(shù)開發(fā) 

    1 噴霧的生成及供給技術(shù)  

     分類 項(xiàng)目 

    噴霧生成 不受刀具規(guī)格影響的穩(wěn)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(nèi)噴霧的凝結(jié)； 

    降低噴霧壓力損失

    維修保養(yǎng)和管理 噴霧生成狀態(tài)監(jiān)控、異常狀態(tài)檢測

    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(guān)。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(diǎn)，有時(shí)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(fèi)空氣。此外，由于是離散控制，不能進(jìn)行每種刀具的準(zhǔn)確控制，由于O/H斷面積不同而導(dǎo)致差壓發(fā)生變化，噴霧量就很不穩(wěn)定。為解決這一問題，開發(fā)出靠從橫向吹散油劑的結(jié)構(gòu)，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(wěn)定)的新技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)是不受刀具規(guī)格的限制，能穩(wěn)定地確保噴霧潤滑劑的供給。此外，該技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(jié)，提高了排屑性能。

    2 鉆削加工 

    由于鉆削加工單位時(shí)間內(nèi)切屑的切除體積大，所以散熱性很差。現(xiàn)以M6的底孔為例，其目標(biāo)值進(jìn)給速度設(shè)定為6000mm/min。在開始基礎(chǔ)試驗(yàn)中，由于切屑粘刀造成切屑在鉆溝中堵塞而導(dǎo)致鉆頭折斷。在提高轉(zhuǎn)數(shù)度試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉆削能否正常進(jìn)行與鉆尖的溫度密切相關(guān)。為此對鉆尖折斷的過程進(jìn)行推測，把鉆頭溫度作為評價(jià)的項(xiàng)目之一進(jìn)行了研究。 

    通常，噴霧冷卻劑是從鉆頭部分噴出，但實(shí)際鉆削時(shí)間很短，只有在這段時(shí)間，噴霧冷卻劑才起作用。此外，冷卻劑噴射到鉆頭溝槽內(nèi)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(jié)構(gòu)做成也可從鉆頭外周噴射冷卻劑的結(jié)構(gòu)形成，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(jié)構(gòu)形式，根據(jù)不同的切削加工方法，其結(jié)構(gòu)形式也有所不同。采用這樣的結(jié)構(gòu)形式，利用接近、軸移動等非切削時(shí)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。但應(yīng)注意的是，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，就不能獲得充分的冷卻潤滑效果，相反還會出現(xiàn)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(shù)形狀對刀尖溫度的影響進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)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(gè)前傾面可使切屑排出通暢。由此可知，充分注意切屑的流動性至關(guān)重要。 

    對鉆頭進(jìn)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(xì)結(jié)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(xì)結(jié)晶金剛石涂層的效果更佳，即使F=10000mm/min，也不會產(chǎn)生粘刀。然而這兩種涂層在結(jié)合強(qiáng)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(shù)(涂層除外)，能夠達(dá)到F=6000mm/min的進(jìn)給速度。由大量生產(chǎn)中鉆頭磨損的評價(jià)結(jié)果(因工件剛性小，鉆頭長，進(jìn)給速度有所降低)可知，半干式鉆削磨損小，可實(shí)現(xiàn)良好的鉆削效果。 

    3 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(guān)于螺紋加工的研究開發(fā)實(shí)例，其目標(biāo)是使螺紋加工精度達(dá)到JIS2級、牙形優(yōu)于濕式加工的牙形、進(jìn)給速度F=3000mm/min。 

    螺紋加工的技術(shù)課題是控制由于切削性能低下而產(chǎn)生擠裂切削，把擠裂切削將發(fā)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(fù)前角，切削性能差，在濕式攻絲時(shí)沒有問題，但在半干式切削時(shí)就有很大影響。因此，用試驗(yàn)方法對不同螺旋角和前角導(dǎo)致小崩損量的變化情況進(jìn)行了評價(jià)，其結(jié)果是螺旋角小、前角大，可大幅度減少崩損量。另外，采用前節(jié)所述的合理的刀具內(nèi)外同時(shí)供給噴霧冷卻劑的方法，在盲孔和通孔攻絲時(shí)都能得到良好的螺紋牙形。由大量生產(chǎn)加工刀具磨損的評價(jià)結(jié)果可知，其磨損量比濕式攻絲還小，且螺紋牙形也很好。 

    4 鉸削加工 

    下面介紹的是關(guān)于一次將大加工余量孔完成鉸削加工的研究開發(fā)實(shí)例(直徑2mm左右)，其目標(biāo)是使孔的表面粗糙度達(dá)到3.2Rz，圓度為0.05，進(jìn)給速度為F=2000mm/min。鉸削加工的技術(shù)課題是抑制刀尖和深孔鉸刀導(dǎo)向塊的粘屑。鉸削加工要求獲得高精度的加工質(zhì)量，因此，即使是極小的粘刀，也會影響鉸孔的質(zhì)量。為了抑制切削刃產(chǎn)生粘刀，對鉸刀的螺旋角、涂層和切削刃的材質(zhì)等進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)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(dǎo)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(fù)荷，確保良好的導(dǎo)向性和提高加工精度。 

    5 設(shè)備 

    在干式切削加工中，設(shè)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(chǎn)生堆積及粘附在刀具基準(zhǔn)面上而發(fā)生支承異常。為解決這些問題，從設(shè)備制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格階段就應(yīng)考慮到干式切削加工，應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的床身、導(dǎo)軌、夾具及防護(hù)罩等。具體來說就是要進(jìn)行在產(chǎn)生切屑的正下方設(shè)置切屑回收中心槽、設(shè)置工件裝卸時(shí)吹去基準(zhǔn)面上切屑的空氣噴射裝置及對夾具、切屑防護(hù)罩進(jìn)行潤滑性涂層處理等。但在自動傳送線方面，還有開發(fā)機(jī)內(nèi)清洗裝置的課題。 

    干式切削加工技術(shù)開發(fā)是包括噴霧冷卻劑生成供給技術(shù)、刀具技術(shù)及設(shè)備的綜合性技術(shù)。今后在推進(jìn)所謂一次性切削加工及只用一把刀具加工的更高效加工技術(shù)開發(fā)的同時(shí)，還應(yīng)致力于切屑處理技術(shù)的研究。