汽車零件加工中的環(huán)保技術(shù)--鋁件的干式切削加工

發(fā)布日期:2012-11-18    蘭生客服中心    瀏覽:3321

    保護(hù)地球環(huán)境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,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(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng),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)

    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(shù)十分重要。

    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,F(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(dòng)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(huì)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(dòng)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(huì)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(huì)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(dòng)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。

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