静电冷却干式切削技术

2024-09-07

静电冷却干式切削技术（共3篇）

静电冷却干式切削技术篇1

1.引言

美国的统计数据显示，与切削液使用有关的花费约占总制造费用的16%，是刀具费用的3～4倍。德国汽车制造业的调查数据显示，把切削液和有关设备费、能耗费、处理费、人工费、维修费、材料费都加在一起达到全部工件加工成本的7%～17%，而全部刀具费用仅为总制造费用的2%～4%。

干式切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。目前德国、美国和日本等工业发达国家把这项技术已成功应用到生产领域。干式切削的方法有：高速干式切削、低温冷风切削、液氮冷却切削等，静电冷却干式切削便是其中的一种。

2.静电冷却干式切削装置

2.1.汤森放电理论

气体中的载流子是离子和电子。由于在正常压力和温度下，外界电离因素(热、光和辐射等)所产生的载流子极少，空气中1cm3体积中，1秒中仅产生4 ～6对。

无外加电场时，这些载流子会因复合而消失，当外加极弱电场时，除一部分载流子仍有复合而消失外，另一部分漂移到电极上而被中和，漂移到电极上的电子与电场强度成正比，此时气体内的电流密度正比于电场强度，符合欧姆定律。

进一步提高电场强度，这时电离因素所积累的能量将逐渐增大，当电场强度增加到一定的强度，离子积累的能量大到与气体分子碰到时足以使它离解，被碰撞分子离解为正离子和电子。

由于载流子增多，电流不再保持恒定而迅速上升，新形成的离子和电子在电场作用下积累能量，再碰撞分子，产生新一代的载流子。

这样，整个电离过程像雪崩似的发展下去，载流子数激增，因而气体内的电流无限增加。此时，空气失去绝缘性能而被击穿。

2.2. 静电冷却装置

静电冷却干式切削的实质在于向切削区域输送经过放电处理的空气。空气经过空气压缩装置加压后以适合的速度通过静电冷却装置，使空气离子化、臭氧化。

然后通过传输系统把电离空气送到切削区，在切削点周围形成特殊气体氛围，既降低切削区的温度，又能在刀具与切屑、刀具与工件接触面上形成起润滑作用的氧化薄膜，并使被加工表面呈压缩应力。

静电冷却装置由供电电源装置、空气压缩装置、静电场装置、电离空气的传输系统、喷嘴等组成。(见图1)

3.静电冷却作用

常规切削加工中，切削液的.作用机理有：冷却作用;润滑作用;清洗作用;防锈作用。静电冷却技术具有：冷却作用;润滑作用;表面钝化;清洁作用;切屑断裂和导出等。

3.1.冷却作用

由于存在带电离子，经过放电处理的空气的冷却作用远高于普通空气。向切削区域输送空气的温度介于-10℃～-20℃之间，当空气流直接冷却和被加工材料遭受破坏所需要能量减少时，产生温度下降。在温度下降时会出现列宾捷而效应。

3.2.润滑作用

润滑作用主要取决于切削过程中存在臭氧和离子被摩檫表面所吸收并同其化学键结合而形成为边界薄膜。薄膜厚度介于数百到数千nm之间，其抗剪强度略高于流体动力润滑油，但远低于金属。

3.3.表面钝化

由于物理——化学等离子体活性组分发生反应的结果，而切削区域的物理——化学等离子体是在高温分解转化过程中，在伴随有氧气以及存在高剪切应力和外激电子发射条件下出现的。因为臭氧、氧和各种成分的带电离子有足够高的浓度，钝化过程可以更高速度进行。

3.4.清洁作用

清洁作用是指零件被加工表面和刀具清除切削区域碎屑、碳化物和非金属夹杂物的能力。静电冷却的清洁作用相当显著。

3.5.切屑断裂和导出

对切屑形成过程控制，不仅可以通过改变切削参数和刀具几何角度来实现，也可通过改变静电冷却装置的工作规范和该装置的喷嘴对刀具和工件的位置来实现。

4.静电冷却干式切削钛合金的试验及分析

试验数据

试件：BT20钛合金(近α钛合金)

刀具：YD15外圆车刀

仪器和设备：车床，静电冷却装置

试验方法：在同样的切削参数下，对切削液冷却和静电冷却的试验数据进行分析比较

试验表明：在静电冷却干式切削条件下，选用切削性能先进的新型刀具材料，合理的刀具几何参数和切削用量，对钛合金的切削加工达到了常规切削。提高了刀具耐用度、生产效率、降低了生产成本。尤其在高速精加工中效果更加明显。

5.结束语

静电冷却技术从源头上解决了切削液污染环境和危害工人健康，又减少了资源和能源消耗的弊端，较好的解决了生态环境、技术与经济间的协调关系与可持续发展。静电冷却技术亦为难加工材料切削技术的发展，增添了探索途径。

参考文献：

[1] 鲍重光. 静电技术原理[M]. 北京：北京理工大学出版社，1993

[2] 幺炳唐. 静电冷却干切技术[J]. 制造技术与机床，.1

静电冷却干式切削技术篇2

随着国内数控机床行业的迅速发展和普遍使用, 环境污染也相应产生, 危害周围环境和人体健康的事件不断发生, 这不能不引起人们的高度重视和广泛关注。传统切削加工会使用大量切削液, 切削过程中会产生大量的油烟, 对生态环境与人体健康产生极大的副作用。这与现代化社会发展趋势不符, 现代化社会发展中人们更加注重各项绿色工程的实施与推广, 更强调各种新型绿色制造技术的开发, 这也是新世纪社会发展的重要内容。因此, 分析面向绿色制造的高速干式切削滚齿机设计及其评价技术, 对我国社会主义绿色建设有着极大现实意义。

1 高速干式切削法

以高速干式切削滚齿机替代传统滚齿机, 在加工过程中无需冷却液或润滑剂, 滚刀以极高的切削速度对齿坯进行加工。此类加工方式应用高强度耐高温涂层刀具, 采用很高的切削速度来缩短切削时间, 提高加工效率, 用压缩空气代替冷却液冷却刀具和工件, 并吹走切屑, 以控制机床工作区域的温度。

高速切削对刀具和机床本身都提出了更高的要求, 首先刀具应具有优异的耐高温性能, 铁屑和刀具之间的摩擦系数要尽可能小, 可通过刀具表面涂层实现。干式切削刀具还应具有更高的强度和抗冲击韧性。机床本体应具备良好的刚性, 实现高转速, 排屑快速便捷。机床热变形小, 布局美观、大方、稳定、协调, 通过机器人和料仓可实现单机自动化以及和其他机床组成生产自动线。

2 面向绿色制造的高速干式切削滚齿机设计分析

2.1 传动系统设计

如图1所示, 机床具有六个数控直线轴:径向进给轴 (X轴) 、轴向进给轴 (Z轴) 、切向运动轴 (Y轴) 、尾架运动轴 (Z4轴) 、倒棱去毛单元水平调整轴 (X7轴) 、倒棱去毛单元垂直调整轴 (Z7轴) 。三个数控回转轴:工作台回转轴 (C轴) 、滚刀主轴回转轴 (B轴) 、刀架回转轴 (A轴) 。机床可同时实现四轴联动控制。各轴均由独立的交流伺服电机直接控制, 工作台回转轴 (C轴) 由内藏式扭矩电机直接驱动, 而滚刀主轴回转轴 (B轴) 由内藏式主轴电机直接驱动, 实现零间隙传动, 大大提高了主轴的驱动刚度和动态响应速度。所有直线运动导轨副均采用高精度、高刚度的进口直线导轨, 传动刚性好, 支承能力大, 运动直线度高。机床预留自动上下料接口, 可很方便地实现单机自动化及机床连线工作。

2.2 组合床身、排屑系统设计

高速干式切削滚齿机设计应注重其床身结构, 采用双层壁结构, 筋板布局经过优化设计, 增加主梁壁的厚度以确保机床具备良好的刚性及热平衡。为了实现干式切削, 保证机床整体刚性, 可将床身、大立柱、后立柱等部件铸成一体 (图2) , 既减少了机床尺寸, 又提高了整体刚性, 且热平衡性能更好。

排屑系统设计时, 切削区域处不能存在凹凸面亦或是较大的平面, 应将其设计为大斜面, 再于其面上装设不锈钢板, 以确保其具有相应的隔热作用, 且更快地排出铁屑, 再采用常规压力空气将铁屑吹走且带走热量, 确保切削区域的清洁和机床的热平衡。

2.3 滚刀主轴 (B轴) 、工作台主轴 (C轴) 高速旋转设计

如图3所示, B轴主运动由内藏式主轴电机直接驱动, 主轴后端装有B轴反馈磁栅, 全闭环控制。如图4所示, 工件轴C轴由内藏式扭矩电机直接驱动, 主轴末端装有C轴反馈光栅, 全闭环控制。此传动方式使高速干式切削滚齿机做到了高速、高效、高精度。

3 面向绿色制造的高速干式切削滚齿机评价技术

绿色制造指产品在其设计制造使用的过程中, 充分考虑对资源和环境的影响, 在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时, 优化各有关设计因素, 以降低其资源消耗, 减少其对环境的影响。高速干式切削滚齿机简化了工艺, 降低了制造成本, 并消除了冷却液带来的一系列问题, 如废液排放和回收等等, 可有效减少对环境的污染及资源消耗, 这亦是现代化滚齿机发展趋势。高速干式切削滚齿机绿色性评价, 其间具备许多评价指标:其一, 时间指标应强调齿轮切削加工时间和辅助时间等, 时间越短越好;其二, 质量指标则应注重精度、设备能力指数及其可靠性, 再就是刚性、热变形与机床外观, 质量越高越好;其三, 成本指标强调滚齿机制造成本, 越低越好;其四, 资源消耗指标强调选材、原材料消耗和能源消耗, 消耗越少越好;其五, 环境影响指标是切削时所产生的废气、废液与固体废弃物等, 污染物越少越好。

4 结语

随着人们环保意识的提高, 国内开始更加注重各项绿色工程的实施与推广, 更强调各种新型绿色制造技术的开发, 这也说明分析面向绿色制造的高速干式切削滚齿机设计及其评价技术, 对我国社会主义绿色建设有着极大现实意义。本文对高速干式切削法进行了简述, 且全面分析了面向绿色制造的高速干式切削滚齿机设计, 并概述了面向绿色制造的高速干式切削滚齿机评价技术, 为我国高速干式切削滚齿机加工水平的提升提供了可靠的理论性依据。

参考文献

[1]杨增旺, 贲道春, 储小虎.滚齿机的扩径改造[J].机床与液压, 2016 (4) .

[2]云介平, 张建梅.滚齿机调整的内容和捷径[J].新技术新工艺, 2011 (5) .

[3]付胡代, 韩立强, 杨威.高速干式切削在齿轮加工中的应用研究[J].制造业自动化, 2010 (6) .

[4]储开宇.绿色高速干式切削技术[J].科技创新导报, 2010 (27) .

切削钛合金与高压冷却技术篇3

【关键词】高压冷却钛合金液氮冷却

【中图分类号】TG506【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0198-01

钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好、耐热性高、低温性能好、比重轻等优良的综合性能而广泛应用于航空和航天、机械电子、生物医疗等行业中。因此提高切削钛合金材料的生产效率和保证加工质量愈来愈具有重要的意义。

一、钛合金切削加工难度大

钛合金具有高强度、高硬度和低密度特性，例如使用最广泛的钛合金Ti-6Al-4V（TC4）抗拉强度达900MPa，硬度为250？375HB，密度4.42 g/cm3，使得钛合金整体结构件在航空工业的应用越来越多。因此，实现钛合金结构件高效、优质切削加工已成为航空制造生产之关键，和铝合金相比，其切削加工的难点主要表现在如下几方面：

1、切削力大

切削力来源有两个方面即变形和摩擦，一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。因此金属材料的硬度和强度越高，其切削加工所需要的切削力就越大，切削温度就越高，刀具磨损就越快，故相对可加工性也就越差。

2、切削温度高

钛合金具有很差的热导率和较高的比热容，无法通过切屑把切削热从切削区传送出去。切削加工过程中所产生的热量大约有80%传入到刀具中，切削点的温度极高，可达1100～1200℃左右。因此，钛合金切削过程中刀具切削点的高温热量很难由切屑快速带走，加速了刀具磨损。

3、易发生冷硬现象

由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，极易与空气中的氧和氮发生化学反应形成硬而脆的外皮，导致切削表面生成硬化层，其深度可达0. 1？0.15mm，致使表层硬度大幅度提高，加速了刀具磨损。

为提高钛合金材料的切削效率和加工可靠性，获得钛合金构件加工的最佳成果，要把高压冷却和刀具材料、涂层、几何角度以及切削用量等要素的合理选用和设计结合起来。

二、采用高压冷却润滑是解决钛合金切削难题的一种有效措施

1、高压冷却的特点

在实际使用时，对切削刀具进行有效冷却和实施切屑的有效控制是前提条件，要求冷却润滑液有较高的压力、足够的流量、精确对准切削刃和切屑之间接触区。采用直接贯通主轴/刀具高压冷却系统，带动多个外部喷嘴喷射的外喷式切削刀具，以保持主轴良好运行性能，快速冷却刀具、工件和冲排切屑，提高零件加工质量，增加刀具使用寿命，提高加工的可靠性，有利于实现切削过程的自动化。

2、采用高压冷却的优势

2.1采用高压冷却可以改善断屑

精确定向和并行0～100MPa高压的冷却剂高速射流，把切屑从转位刀片表面上排除掉，可以起到冷却和早期断屑的作用，实现更佳的切屑控制。同时对切削刃的有效冷却，降低了切削刃对热波动的敏感性。

2.2采用高压冷却可以提高切削速度

加工钛合金时，一般采用机械夹固可转位片的刀具和整体硬质合金刀具。与常规加工相比，采用高压冷却时，由于切削区温度的降低，提高了刀具的耐用度，切削速度最多可提高200%。

2.3采用高压冷却可以提高表面质量

表面质量的波动是由于温度变化和加工时产生的切削力的影响。传统的冷却方法对改善工件表面质量有积极的影响，采用高压冷却更是极大影响最后精加工的结果.

3、采用高压冷却，应考虑以下几点：

3.1准确地协调压力、流量和喷嘴孔径之间的关系

喷嘴孔径大小应选择使其产生最高的压力和可以最佳地利用冷却润滑液的流量。根据Sandvik公司的资料，例如，在刀具上使用1mm孔径的喷嘴，为保持足够的压力，需要有5L/min的冷却润滑液流量。

3.2最大安全冷却液工作压力的确定

需要注意的是，冷却液压力不能超过刀具可承受的最大安全冷却液工作压力，工作时参考刀具生产厂家提供的刀具系列最大安全冷却液压力。