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高速干式切削加工技术及其应用
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  1.引言

  随着“21世纪绿色制造工程”的提出和实施,高速干式切削加工技术日益成为人们关注的焦点和热点。迄今,大多数金属切削加工仍是以使用切削液的湿式加工方式来进行。切削液具有冷却、润滑、排屑、清洗、防锈等功能,并对延长刀具使用寿命、保证加工表面质量起着重要作用。但是,在切削过程中使用切削液,一方面造成了资源和能源的巨大浪费(据德国公司的统计资料,切削液使用费用占总制造成本的16%,而切削刀具费用仅占总制造成本的3%~4%)。另一方面,切削液会对环境产生较严重的污染,甚至会危害工人健康。随着全球环境保护意识的不断增强和环境保护立法的日益严格,对环境无污染的“绿色制造”被认为是可持续发展的现代制造业模式。为使金属切削加工尽可能达到绿色制造的要求,可减少环境污染、节省资源和能源的高速干式切削技术越来越多地受到人们的关注。

  所谓高速干式切削加工,是指在高速机械加工中,为保护环境、降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液。高速切削加工具有以下优越性:

  (1)随着切削速度的提高,单位时间内的材料切除率(切削速度、进给量和切削深度的乘积,v×f×ap)增加,切削加工时间减少,从而可大幅度提高加工效率,降低加工成本。

  (2)在高速切削加工范围内,切削力随着切削速度的提高而减小,根据切削速度的提高幅度,切削力平均可减少30%以上,有利于对刚性较差的零件和薄壁零件的切削加工。

  (3)高速切削加工时,切屑以很高的速度排出,可带走大量切削热。切削速度愈高,带走的热量愈多(约90%以上),传给工件的热量大幅度减少,有利于减小加工零件的内应力和热变形,提高加工精度。

  (4)从动力学的角度,在高速切削加工过程中,切削力随切削速度的提高而降低,而切削力正是切削过程中产生振动的主要激励源。转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率,而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感,因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。

  (5)高速切削可加工硬度45~65HRC的淬硬钢铁件,如采用高速切削加工淬硬后的模具,可减少甚至取代放电加工和磨削加工,满足加工质量的要求。

  2.实现高速干式切削加工的关键技术

  在高速干式切削加工中,由于切削过程缺少切削液的润滑、冷却、排屑等作用,相应地会出现以下问题:

  (1)由于缺少切削液的润滑作用,高速干式切削加工中的切削力会大大增加,刀具与工件之间的振动会加剧,从而导致工件加工表面质量变差,刀具磨损加快,刀具使用寿命缩短。

  (2)由于缺少切削液的冷却作用,高速干式切削加工会在加工瞬间产生大量热量,这些热量主要集中在切屑中,会影响切屑的成型,过热的高温环境会导致形成带状和缠结状切屑并缠绕在刀具上,影响后续切削,加剧刀具磨损。如不及时将热量从机床的主体结构中排出,同样会使机床产生严重的热变形,影响加工精度和降低工件表面质量。

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