机床加工如何摆脱切削液?

    仅仅20年前,切削液还是比较便宜的,且占多数加工过程的比重小于3%。所以机械加工厂很少对它们关注。在那以后,随着时间的推移,如今的切削液费用估计达每年几十亿美元,且占生产成本比重高达15%。现在,机加工行业时刻都在为切削液担忧。
  
    切削液,尤其是那些含油的切削液。不管某种切削液有多么安全和环保,政府都要求你从倾倒到池里的那一刻起,_进行特殊处理。即使当地政府允许你从桶中倾倒清洁的不含油的合成液到排水沟,一旦它同在机床里夹杂的油和金属碎屑混合,它_变成一种受控的工业废料。不仅美国环境保护局管理这种混合物的处理,而且许多州和地方政府也已把它们作为有害废物进行分类,如果它们含油和某些合金,更要加强严格控制。
  
    因为很多高速加工和切削液喷嘴产生油雾或工人能呼吸到的气溶胶,政府机构还限制空气里切削油雾的允许含量。环境保护局已经计划出台更严格的针对控制这些空气里微粒的标准,进一步提高机加工企业的计划成本和责任。职业安全和健康管理局也正在考虑一个咨询委员会推荐通过一个_值到0.5mg/m3和作用水平到0.25mg/m3的法令,来限制较低的切削液气雾允许暴露量。
  
    维护、记录存档和遵循现行和计划的规定所产生的成本正迫使切削液价格迅速上涨。大型工厂支付从几万到几十万的资金来维护切削液,只要有可能,_安装和使用合适的附件和油雾收集器以及切屑、碎屑和用过的切削液的处理,来推迟它们的处理。其结果是,很多机加工企业正在_通过干切削来避_用和伴随切削液产生的副作用展开讨论。
  
    虽然大多数工厂可能承认有取消切削液的愿望,但他们不能确定能否做得到。他们相信,要获得_的速度和切削更硬的材料,他们_使用切削液来维持竞争力。很多从湿式加工转变到干加工的可见成本也很高。但如今都不成为问题。实际上,在很多加工中,常规操作应该是干加工。再者,干车削硬材料和高速干铣削不仅是可行的,而且有利可图。其技巧是正确集成刀具、机床和切削技术。
  
    有害无益的切削液
  
    更多采用干切削的_障碍之一是切削液对于取得较好光洁度和更长刀具寿命是必不可少的传统认识。虽然现实中切削液对于许多加工仍然是必要的,但是研究表明,有了现代切削刀具材料和当今_的切削速度,并非_要使用切削液。_的硬质合金材质牌号,尤其是有涂层保护的,在高速高温下不使用切削液实际上切削更有效率。实际上,在断续切削时,切削区温度越高,越不适合使用切削液。
  
    这种似乎与直觉相反的趋势原因在于:切削区温度变得非常高,通常_1000℃,尤其是在高速切削和硬材料切削时。举例来说,假定切削液能克服铣刀高速旋转产生的离心力,切削液在到达切削区之前早已汽化,对那里几乎没有冷却作用。
  
    结果是有一个在当刀片切入切出时产生先天的温度波动更明显的区别。随着刀具的旋转,当刀片切出时冷却,然后在切入时再一次被加热。虽然在干切削时也发生加热和冷却循环,但是当有切削液时温度波动更大。随之发生的热冲击会在刀片上产生应力,并会使其过早破裂。
  
    相似的结果也在车削时发生。譬如当在切削速度高于130m/min时切削碳钢,暴露在冷却液里的未涂层硬质合金刀片能承受显着的热冲击少于40秒。这种冲击通过轻微增加前刀面磨损和剧烈的后刀面磨损,显着缩短刀具寿命。因为大多数车削加工少于40秒,对于刀具寿命来说,干车削通常更可取。
  
    另一方面,在钻削时,为了提供润滑和把切屑从孔里冲出来,切削液通常是_的。没有切削液,切屑会堵在孔里,而且平均表面粗糙度Ra是湿式加工的两倍。切削液通过润滑边缘碰到孔壁的钻尖,也能降低需要的加工扭矩。虽然涂层钻头在某种程度上会增加切削液的润滑效果,但是,降低切削力的涂层_可能的趋势是把摩擦降到_。
  
    因为还没有用于预测切削液效果和性能的科学模型,是否采用干切削取决于具体的加工案例。润滑液通常针对低速加工、难加工材料和对表面光洁度有要求的加工场合,而冷却能力强的切削液会提高高速加工、易切削材料、简单加工、积屑瘤问题和紧尺寸公差加工的性能。然而,很多时候,切削液提供的额外性能并不值得额外的开销。在越来越多的加工中,切削液简直是不必要的或有害的,因为现代切削刀具适合_的温度,而且压缩空气能从切削区域带走热切屑。
  
    用涂层处理热量
  
    涂层通常是当今不再需要切削液的另一个原因。它们通过抑制从切削区到刀片或刀具的热传递来控制温度波动。涂层的作用_像热屏障,因为它有比刀具基体和工件材料低很多的热导性。因此涂层刀片和刀具吸收较少的热量,能承受_的切削温度,这意味着车削和铣削时,可在不牺牲刀具寿命的前提下进行_速的切削。
  
    厚度范围在2~18μm的涂层在刀具性能里扮演着重要角色。因为薄涂层比厚涂层在快速冷却和加热过程中引起应力更低,并且不易破裂。对于断续切削,这个厚度范围较薄的一端承受温度波动的能力更佳。在相同的应力下,厚涂层在加热或冷却太快时容易破裂。因此,用薄涂层刀片进行干加工通常可以延长刀具寿命达40%。
  
    机床是否适合干加工
  
    指定和装备合适的机床也是这个战略的一个重要部分。由于速度通常很快、材料通常很硬、切削温度很高,所以机床_要刚性好、功率大。因此,对于加工中心,使用者应该努力缩短刀具悬伸量,并且,除了考虑速度和功率外,还要判断主轴的内在刚性。
  
    在车床上切削接近成型的零件和淬硬零件时,解决了切削力问题后,刀塔能靠机床刚性实现很长的切削行程。一台设计良好的机床将解决那些沿着短的直接通路的力并且包含尽可能少的移动和支撑刀具的机床零件。在权衡精度和柔性后,你也许认为,直接装在横刀架的刀具组能消除回转分度机构。这种设计能缩短刀具悬伸量,平衡作用于导轨上的切削力,并使支撑面_小化。
  
    对于加工精度来说,热稳定性也很关键。所以,一些机床制造商用软件补偿热膨胀的办法来改进其加工中心的机械部分性能。然而,控制温度变化将开始有效地外排热切屑来消除工作系统内部的重要热源。好的机床设计将没有积聚切屑的腔和托盘而是有不靠切削液帮助_能排出干切屑螺旋推运器和切屑运送装置。如果需要用切削液协助排屑的话,考虑用压缩空气来代替切削液。
  
    为了保护滚珠丝杠和导轨,避免操作工吸入空气中的灰尘,还需要安装伸缩盖、防护罩、密封和吸尘装置。从湿式加工转变到干切削的机床设计是可行的,买一台干加工的机床总体来讲费用较低、问题更少。它的吸尘装置和压缩空气输送系统也比相应湿式加工需要的油雾收集器和冷却泵更便宜,运行成本也由于干加工取消了冷却液管理和处理费用而大幅下降。此外,干加工可使你从现在和将来的切削液使用责任规章制度中解放出来。
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