一種重視環保的加工技術

    1997年12月，在日本京都召開了防止地球變暖的國際會議，會上通過了“京都議定書”，提出了有害氣體的 排放規定。議定書通過6年來，已得到世界許多國家的認同，俄羅斯也于2004年10月下旬正式批準該議定書。迄今，在生產技術領域已認真討論過不少全球環 境保護的相關問題。在機械加工過程中，為了降低環境污染程度，已把建立綠色工廠作為重要課題提上議事日程。在切削加工中，切削液的使用存在兩方面的問題， 即使用階段和廢液處理階段均會產生二氧化碳等有害氣體，從環保角度來看，危害性極大。因此，應盡可能控制切削液的使用和排放，為此，工業發達國家正在大力 開發干式和半干式加工技術。這里重點介紹半干式加工技術。

    半干式加工系統由硬件技術和軟件技術兩大部分組成，硬件技術包括：主軸及工作臺等機械設備、半干式加工用的 霧液噴供裝置、塵霧回收裝置、切屑處理裝置及所采用的刀具等；軟件技術包括：設定最佳加工條件及加工狀態監控手段等，硬件技術和軟件技術必須高度配合，融 為一體。切削加工過程大力減少切削液的新技術，通常稱作“微量切削液供給法”，即MQL(Minimal Quantity Lubrication)。目前，MQL正在制造業中大力推廣。在實踐過程中，有些問題亟待解決，有關的研究開發工作也正在加緊開展。本文擬就半干式加工 技術的發展現狀及存在的問題作一個概略的介紹。

    利用主軸供油孔的MQL裝置

與切削液相比，霧液流動的運動量較小，因此，刀具或工件在高速回轉時，附近發生的空氣流動將會影響冷卻霧液的流向， 使其不能充分到達切削位置。這種現象在主軸轉速超過10000r/min的高速切削、孔加工、切槽等加工中尤為明顯。解決此問題最有效的手段，便是讓冷卻 霧液經過回轉主軸的內部，再通過鉆頭、立銑刀等回轉工具的供油孔，直接送到切削部位。這種由主軸內孔供應冷卻霧液的方式，在原有的濕式加工中也曾使用過， 但過去供給的是液體，而現在供應的卻是霧狀液流，于是便出現了下述問題。

    采用原有主軸供液方式的高速主軸供油孔送出霧液時主軸轉速與霧液噴出量的關系。由圖可知，主軸轉速超過 10000r/min時，刀具刃尖部噴出的霧液量便急劇下降。原因在于，當主軸高速回轉時，受離心力的作用，液滴附著在主軸內的回轉通道內壁上；當主軸轉 速達30000r/min這樣的高速回轉時，霧液幾乎全從霧流中分離出來，從刀具油孔中噴出的幾乎純為空氣。為了解決這個問題，研究人員采用了如下措施： (1)讓壓縮空氣和切削液從不同的路線送出，通過主軸，讓兩者在主軸端部的刀柄附近混合，形成霧液；(2)將主軸內霧液通道改為非回轉結構，藉以抑制離心 力的作用。在主軸內配有特殊結構的非回轉線路后，即便在高速回轉條件下，也可獲得非常穩定的霧液噴出量。

    模擬霧液作用的供給裝置

利用高速回轉主軸輸送霧液的供給性能，受霧液粒徑、密度、主軸孔內回轉路線的形狀、尺寸等因素的制約。為了在設計階 段定量預測出上述各項參數，研究人員采用通常的流體解析軟件來模擬霧液的作用。圖4即為采用該軟件(Star-CD)解析通過回轉線路的作用實例之一。當 主軸不回轉時，霧液從主軸后端直接流向前端；當主軸高速回轉時，在回轉路線內便會產生旋轉性流動，液滴受離心力影響，接觸到路線側壁，這將減少送到主軸前 端的液滴數量，從而降低冷卻潤滑效果。圖5為通過計算機模擬的不同直徑液滴平均可到達的距離進行比較結果。液滴直徑越小，越不易受離心力的影響，液滴隨著 回轉路線的回轉旋流，也更容易到達刀具的刃尖部位。但是，如果液滴直徑過小，當它從刀具端部流出后，附著于刃尖或工件加工面的性能也就更差，這些微細液滴 易于浮游在周邊環境中，既污染環境，又減弱了冷卻效果。考慮到各種因素，推薦液滴直徑約2μm最為適用。這一數值與目前使用的霧液產生裝置的標準水平大體 一致。霧液供給裝置在性能方面的要求是：產生具有最佳霧滴直徑的霧液，利用必要的空氣壓力及適當的流量，能夠穩定地將霧液輸送到加工部位。
    新型MQL方式的效果

1.  潤滑和冷卻效果良好

霧液通過主軸內孔，再由刀具供油孔直接流向加工部位，這種結構和半干式加工組合起來，可獲得良好的潤滑和冷卻效果， 而這是過去采用濕式加工無法達到的。圖6所示為用鉆頭加工孔的的實例，試驗采用干式、半干式、濕式三種方式加工，圖中列出了各種加工方法產生的刀具后面磨 損寬度比較。結果表明，采用主軸內孔供液的MQL加工，能有效抑制刀具磨損，其結果與濕式加工大體相同，而其環保效應則遠遠優于濕式加工。
工件材料：S55C 所用刀具：硬質合金鉆頭(Ø5mm) 涂層：TiN 切削速度：200m/min 進給量：0.1mm/r 孔深：15mm
圖6 加工孔數與后刀面磨損的關系

    2.可實現小直徑深孔的高速加工

    最近，富士BC技研公司開發出一種新型霧液裝置EBT系列，這是一種小直徑深孔加工專用的外部混調內部送液 裝置(在機外調制成霧液，通過主軸內孔，再由刀具供油孔噴出)。EBT系列的霧液噴出量比2000年該公司開發的同類產品提高3倍以上。另外，在工具生產 廠的配合下，他們在直徑相同的鉆頭上，增大供油孔徑，使噴出的霧液大幅度增加，據稱霧液噴出量最多可增大7倍。這種裝置與刀具的各種參數相配合進行切削試 驗，結果表明，刀具壽命提高2倍以上；將其用于立式加工進行試驗時，無需增添加壓裝置即可進行小直徑深孔加工。圖7所示為曲軸油孔的半干式高速加工實例。

    3.可用于難加工材料的切削加工

    Inconel是一種典型的難加工材料，在這種耐熱合金工件上加工小孔尤其困難。過去大都采用濕式加工，效 率低，污染重；現在采用半干式加工，效率成倍增長，污染也很輕微。如用6mm鉆頭在Inconel工件加工小孔，采用水溶性冷卻液進行濕式加工(v= 7～10m/min，f=0.04～0.05mm/r)，加工長度最多可達30m左右，而采用MQL方式加工(v=15～20m/min，f= 0.06～0.10mm/r)，切削長度可達186m，約為濕式加工的6倍。由此可見，MQL方式用于難加工材料的切削加工是大有可為的。

    4.汽車行業大量采用MQL加工技術

    汽車行業的鋁合金零件數量非常多，過去采用濕式加工，污染非常嚴重，加工效率也不理想?，F在，許多廠家正在 考慮大量采用MQL技術進行加工，如馬自達公司轎車的氣缸體生產線，兩年前就著手全面采用干式和半干式加工方式，目前，除個別工序外，均已采用MQL加工 技術。豐田汽車公司在齒輪加工和各種孔加工中，已部分采用干式或MQL方式加工。圖8是富士精工和富士BC技研公司配合開發的MQL鏜孔刀具。

    刀具涂層的效果

    各類濕式加工均須在高壓下供給大量切削液，而半干式加工則只需要極少量切削液和壓縮空氣，同時還應考慮與加 工過程相關的其它因素，諸如刀具形狀、材質的明顯影響等。圖9所示為硬質合金鉆頭和DLC涂層鉆頭在鋁材上加工孔的結果，就已加工孔的表面粗糙度來看， DLC涂層鉆頭的效果要好得多。在鋁材的半干式加工中，DLC涂層可有效抑制工件材料在刀具切削刃上的粘附現象，因此，DLC涂層可作為防止產生粘附現象 的有效手段。此外，CVD涂層、PVD涂層、鈦化物涂層等，在干式和半干式加工中，作為延長工具壽命的必要技術，也占有相當重要的地位。

    刀具切削刃形狀及螺旋槽形狀

    以空氣作為介質的MQL加工，與采用高壓冷卻的濕式加工相比較，前者從加工部位往外排屑的性能較差，尤其是 在鉆頭進行深孔加工時，如果所生成的切屑形狀不理想或切屑不能從已加工孔內順利排出，將在短時間內使刀具產生破損。因此，必須重視切削刃形狀、螺旋槽形狀 和摩擦力等因素，它們是保證順利排屑的重要條件。

    供油孔形狀及噴出口的位置

    使用帶供油孔的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具進行半干式高速加工時，供油孔的尺寸和位置對加工性能有著直接的影 響。一般的供油孔均設置在刀具端部附近，由于半干式加工形態的特點，霧液往往不能充分送至加工部位。例如，用絲錐加工通孔時，如果霧液從絲錐端部噴出，則 霧液便會從通孔出口處流走，冷卻潤滑效果較差；如果霧液從刀具側面噴出，冷卻潤滑效果將更加顯著。另外，還可在工具系統的彈簧夾頭處設計出適當的間隙，從 該處將霧液噴射至刀具整個側面，冷卻潤滑效果將更為理想?？傊?，在半干式加工中，工具廠家應加緊開發出帶有適宜的供油孔形狀和噴出口位置的刀具制品，以便 充分發揮半干式加工的良好效果。

    霧液回收裝置

    MQL加工由于能將霧液噴射裝置所構成的系統發揮出最佳效果，因此可獲得與濕式加工同樣的加工性能。盡管它能用霧液來取代大量的切削液，但在這種半干式加工過程中，還存在尚待解決的問題。

    問題之一是霧液的飄浮將污染工廠環境。雖然半干式加工所用切削液是以對人體影響較小的植物油為基礎的混合液 體，而且使用量也很少，但操作者長期吸入決非良策。另外，飄浮的霧液粘附在機床上，容易造成滑溜或傾倒等危害。從機床方面來看，在設計階段就應特別重視罩 蓋的高密封性能，應預留安裝霧液回收裝置的位置等。在通常情況下，為了提高霧液回收率，應提高回收裝置過濾器的精密程度和增大吸收量。另外，在開發這類產 品時，應避免由于裝置大型化而帶來電力消耗的增加。目前，廣大用戶迫切希望開發出高性能、高效率、結構緊湊的半干式加工專用霧液回收裝置。

    切屑回收裝置

    半干式加工的重要課題之一，是提高排屑性能。飛散于工件或機床內的切屑，隨著霧液的濺射，極易粘附在操作者 的雙手上，要清除這些細小的塵屑并不是一件容易的事情。因此，采用半干式加工工藝時，為了排屑順暢，有時不得不增加一個噴射高壓冷卻液的工序。盡管目前已 開發出在加工位置附近安裝吸入切屑的裝置，但隨著加工形態的變化，該裝置的效果并不理想。因此，今后應大力開發易于排屑的機床結構及夾具，設計出能夠適應 各種加工條件的切屑回收方式，開發出低粘稠性切削液等。