汽车零件加工中对应的环保技术——铝件的干式切削加工

时间:2011-06-03 08:30:08 来源:未知

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图1 环保技术的分类

图2 机械加工能源消耗内部构成比

图3 半干式切削加工系统

图4 喷雾装置

保护地球环境是21世纪最优先考虑的课题。在机械加工领域，一些保护环境措施的研究开发及其成果已得到广泛应用。其中，对节约能源和减少废物的主要加工方式，即干式、半干式加削加工技术的研究，正在加速进行。在铣削加工、齿轮的切齿加工等方面已实用化，并取得令人满意的效果。但在铝件特别是铝件的孔加工方面，由于产生铝屑粘刀而导致刀具折断、加工精度恶化，这一问题有待于进一步研究解决，目前铝件的孔加工采用干式加工的实例还不多。

数年前，日本アイシン精机株式会社开始对铝件的半干式切削加工技术进行了研究，其研究成果已在6种产品、7条生产线上使用。本文将该公司的研究成果及实用化实例介绍如下。

环保技术的发展动向

在机械加工领域，有各种各样的环保技术，大体上可分为节约能源、减少废弃物、确保工作环境安全、舒适性三大类(见图1)。

在节约能源方面有：减少液压管路的阻力而使切削液泵的规格减小和无液压化等。通常情况下，工作中即使泵的额定功率很小，但它消耗的功率一般都很大，特别是切削液所消耗的功率要占总功率的60%以上(见图2)，因此，前述技术对节约能源是切实有效的。

减少废弃物主要是指减少切削液的废液量。各公司都在致力于切削液的长效化和重复循环使用等技术的开发与应用。在切削液长效化(长寿命化)方面，切削液的合成化是开发的项目之一。由于合成切削液是以化学合成的油剂为基液来使用的，因此，应充分注意它和水的亲和性，能够人为地设计分子量等。由于钙等的金属离子与其它油的混合而导致界面活性剂的恶化，所以油水分离等都是可控制的有利一面；同时也应充分注意对设备的不利影响(如滑动部分润滑液被洗掉及泄漏对电气系统的影响)和废水可处理性。

在确保工作环境安全及舒适性方面，该公司最近正致力于切削液的氯游离化的研究。氯系化合物作为高压润滑油添加剂含在高负荷用切削液中，在高温切削和废油燃烧处理时，可产生剧毒物，因此，氯系切削液已从JIS标准中废除。目前各切削液生产厂家正在进行氯游离化的研究开发，以不断完善与原有切削油性能相同的新型切削液。?

干式切削加工技术开发的主要思路

该公司考虑到铝制工件较多，一些孔加工刀具制造厂家和科研机构对干式切削加工技术的开发实例很少，从而决定自行研究开发，把铝件的钻削、攻丝、铰削和镗削加工方法作为研究开发的目标。

在干式切削加工中，选择了润滑、冷却和排屑性能优良的半干式切削加工，雾状切削剂供给方式把外部混合内部供给方式作为研究开发的主要内容(见图3)。外部混合方式与赫克斯公司等提倡的内部混合方式比较，其可供给的喷雾量少。但作为技术核心的喷雾生成部分开发的自由度大、主轴内部结构不需做大的改动，因此，可在所有制造厂家生产的设备上采用。

关于切削加工效率(进给速度F)和加工精度，目前还处于研究阶段，最终结果是效率和精度应优于湿式切削。该公司是以国内外的标准检查程序为基准来设定目标值。?

#p#分页标题#e#技术开发

喷雾的生成及供给技术
通过对所有切削加工方法的分析表明，喷雾的生成和供给技术十分重要。该技术的相关课题见下表。
分类项目喷雾生成
不受刀具规格影响的稳定的喷雾生成；
提高喷雾生成量；
控制喷雾量和喷雾压力
喷雾供给
控制管道内喷雾的凝结；
降低喷雾压力损失
维修保养和管理
喷雾生成状态监控、异常状态检测
表喷雾生成供给的课题

一般情况下，喷雾是在文丘里(Venturi)喷管部分借助空气压力把油吹散而生成的。喷雾的生成能力主要与文丘里喷管前后的空气压力差(以下称差压)有关。但由于小直径刀具的油孔(以下为O/H)直径小而不能确保充足的差压，喷雾量下降很大。为克服这一缺点，有时将部分喷雾(只限空气部分)排放，以确保足够的差压，但要浪费空气。此外，由于是离散控制，不能进行每种刀具的准确控制，由于O/H断面积不同而导致差压发生变化，喷雾量就很不稳定。为解决这一问题，开发出靠从横向吹散油剂的结构，以确保即便在较小差压条件下，也能获得大喷雾能力的特殊的文丘里和即便在不同O/H断面积条件下，也能保持差压恒定(稳定)的新技术(见图4)，该技术的特点是不受刀具规格的限制，能稳定地确保喷雾润滑剂的供给。此外，该技术在废除弯管接头配管后，采用空气增加器和中间缓冲措施，实现了最大限度地减少喷雾润滑剂的压力损失及润滑剂的凝结，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
图5 即将折断前刀尖的磨损情况

图6 刀尖温度和能否加工的关系

图7 钻头折断过程的推测
钻削加工
由于钻削加工单位时间内切屑的切除体积大，所以散热性很差。现以M6的底孔为例，其目标值进给速度设定为6000mm/min。在开始基础试验中，由于切屑粘刀造成切屑在钻沟中堵塞而导致钻头折断(见图5)。在提高转数度试验时发现，钻削能否正常进行与钻尖的温度密切相关(见图6)，根据图7所示，为此对钻尖折断的过程进行推测，把钻头温度作为评价的项目之一进行了研究。

图8 喷雾冷却剂供给方式
材料:ADC12，f5×15，p=0.4MPa
q=30ml/h，v=157m/min
f=0.4mm/r，F=4000mm/min
图9 不同喷雾冷却方式对刀尖温度影响的比较
图10 钻头参数对钻头温度的影响
#p#分页标题#e#材料:ADC12，f5×15，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
图11 合理修磨横刃的效果供给方式
材料:ADC12，f5×15，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=57m/min
f=1mm/r，F=3000mm/min
图12 刀具磨损量比较

通常，喷雾冷却剂是从钻头部分喷出，但实际钻削时间很短，只有在这段时间，喷雾冷却剂才起作用。此外，冷却剂喷射到钻头沟槽内可抑制粘刀，但切屑的不利影响依然存在。因此，把冷却剂供给的结构做成也可从钻头外周喷射冷却剂的结构形成(见图8)，我们把这种模式称作“通过钻头排屑沟模式”，其弹簧夹头孔部形成沟道，钻头柄部形成沟道、孔等的结构形式，根据不同的切削加工方法，其结构形式也有所不同。采用这样的结构形式，利用接近、轴移动等非切削时间可使雾状冷却剂粘附在钻沟上，可获得雾状冷却剂的冷却效果(见图9)。但应注意的是，如设计不当，就不能获得充分的冷却润滑效果，相反还会出现阻碍切屑的排出。
为了确定合理的刀具形状，对不同的刀具几何参数形状对刀尖温度的影响进行了调查(见图10)，调查结果表明，横刃修磨、芯厚和油孔(O/H直径)对钻尖温度影响大，其中横刃修磨的影响最大。尽管横刃部分的切削性能不好，但修磨成3个前倾面可使切屑排出通畅(见图11)。由此可知，充分注意切屑的流动性至关重要。
对钻头进行涂层处理可改善切屑粘刀。涂层材料有很多，但效果好的涂层是DLC(Diamond Like Carbon)涂层和超微细结晶金刚石涂层(晶粒直径1µm左右，比普通金刚石涂层表面更光滑)。特别是超微细结晶金刚石涂层的效果更佳，即使F=10000mm/min，也不会产生粘刀。然而这两种涂层在结合强度、成本等方面还存在一些需解决的难题，有待以后加以解决。
由于新增了以上技术(涂层除外)，能够达到F=6000mm/min的进给速度。由大量生产中钻头磨损的评价结果见图12(在此例中因工件刚性小，钻头长，进给速度有所降低)，由图可知，半干式钻削磨损小，可实现良好的钻削效果。

材料:ADC12，M6，深度12mm，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
图13 丝锥形状引起小崩损量的变化

材料:ADC12，M6，深度12mm，p=0.6MPa
q=18ml/h，v=157m/min
f=0.35mm/r，F=3500mm/min
图14 喷雾冷却剂供给方式对形状误差的影响

图15 丝锥磨损量和牙型
螺纹加工
在螺纹加工中，有切削加工法、搓制法和铣制法。下面介绍的是关于螺纹加工的研究开发实例，其目标是使螺纹加工精度达到JIS2级、牙形优于湿式加工的牙形、进给速度F=3000mm/min。
螺纹加工的技术课题是控制由于切削性能低下而产生挤裂切削，把挤裂切削将发生前的牙形放大后观察，右牙形面的小崩损量比湿式切削大。高速螺纹加工采用螺旋丝锥，其切削刃的工作前角为负前角，切削性能差，在湿式攻丝时没有问题，但在半干式切削时就有很大影响。因此，用试验方法对不同螺旋角和前角导致小崩损量的变化情况进行了评价，其结果是螺旋角小、前角大，可大幅度减少崩损量(见图13)。另外，采用前节所述的合理的刀具内外同时供给喷雾冷却剂的方法，在盲孔和通孔攻丝时都能得到良好的螺纹牙形(见图14)。由大量生产加工刀具磨损的评价结果见图15，由图可知，其磨损量比湿式攻丝还小，且螺纹牙形也很好。
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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
图16 基础试验中产生的粘屑状况
图17 刀具开发
铰削加工
下面介绍的是关于一次将大加工余量孔完成铰削加工的研究开发实例(f2mm左右)，其目标是使孔的表面粗糙度达到3.2Rz，圆度为0.05，进给速度为F=2000mm/min。铰削加工的技术课题是抑制刀尖和深孔铰刀导向块的粘屑。将硬质合金抛光铰刀进行基础试验后的刀具磨损状况示于图16。铰削加工要求获得高精度的加工质量，因此，即使是极小的粘刀，也会影响铰孔的质量。为了抑制切削刃产生粘刀，对铰刀的螺旋角、涂层和切削刃的材质等进行了试验，结果表明，切削刃材料采用合成金刚石的效果最佳。
过去，深孔钻的导向块和已加工面接触能确保良好的圆度和表面粗糙度，因此，硬质合金部分和已加工表面接触能抑制粘屑，把切削刃做成有刃带的结构而形成台阶式多刃表面，让只有刃带部分接触已加工面，这样可降低形成已加工面的切削刃负荷，确保良好的导向性和提高加工精度(见图17)。
设备
在干式切削加工中，设备、切屑处理很重要。在干式切削加工中，由于没有切削液冲洗排屑，切屑易在夹具、床身上产生堆积及粘附在刀具基准面上而发生支承异常。为解决这些问题，从设备制定标准规格阶段就应考虑到干式切削加工，应设计相应的床身、导轨、夹具及防护罩等。具体来说就是要进行在产生切屑的正下方设置切屑回收中心槽、设置工件装卸时吹去基准面上切屑的空气喷射装置及对夹具、切屑防护罩进行润滑性涂层处理等。但在自动传送线方面，还有开发机内清洗装置的课题。