高速干式切削在齒輪加工中的應(yīng)用研究

付胡代, 韓立強(qiáng), 楊 威

（長春工程學(xué)院 機(jī)電學(xué)院 ，長春 130012）

0 引言

傳統(tǒng)的齒輪加工中，通常使用切削液來冷卻刀具和工件，減少磨損，將切屑從機(jī)床上沖走，因而需要配置油箱及油路系統(tǒng)，以及防護(hù)油變質(zhì)、廢油處理、工件清洗以及切屑的除油處理等費(fèi)用。按照環(huán)保觀點(diǎn)，切削油中要限制使用硫化物，禁止含有氯化物和異味，否則對(duì)生態(tài)環(huán)境及操作者的健康特別有害。從生態(tài)學(xué)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，廢除切削液是大勢(shì)所趨。因此，干式加工是金屬切削加工的發(fā)展趨勢(shì)之一。

目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，非常重視干式切削的研究與工程應(yīng)用。為了貫徹環(huán)境保護(hù)政策，更是大力研究、開發(fā)和實(shí)施這種綠色制造方法。對(duì)于美國、日本、德國等環(huán)保法規(guī)嚴(yán)格、人工費(fèi)用水平高的發(fā)達(dá)國家而言，采用干式切削的總成本是傳統(tǒng)切削工藝的70%左右。據(jù)美國企業(yè)的統(tǒng)計(jì)，在集中冷卻加工系統(tǒng)中，切削液占總成本的14%～16%，而刀具成本只占2%～4%。據(jù)測(cè)算，如果20%的切削加工采用干式加工，總的制造成本可降低1.6%。干切技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還表現(xiàn)在零件表面質(zhì)量的提高和幾何精度的改善，這有助于產(chǎn)品性能的提升；國外資料表明，干切工藝的工件表面粗糙度值可以降低40%左右?？梢?，從保護(hù)環(huán)境、提高加工效率和加工精度以及減低制造成本的角度分析，在我國積極開展干式切削技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)于機(jī)械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 低溫冷風(fēng)切削法與高速干式切削法

使制造業(yè)減少資源消耗和盡可能少地產(chǎn)生環(huán)境污染是當(dāng)前制造業(yè)面臨的重大課題。為此干式切削若干關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化階段，包括：機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)技術(shù)、高速干式切削加工工藝技術(shù)。工業(yè)發(fā)達(dá)國家早在上世紀(jì)80年代即開始研究相關(guān)技術(shù)，但由于硬質(zhì)合金材料的昂貴和刀具制造技術(shù)不過關(guān)，這項(xiàng)加工技術(shù)的應(yīng)用一直沒有突破性的進(jìn)展，最近幾年由于硬質(zhì)合金材料的水平提高和表面涂層技術(shù)的發(fā)展，使得目前采用新一代數(shù)控加工設(shè)備生產(chǎn)廠多數(shù)都有干切工藝的應(yīng)用，在生產(chǎn)效率大幅度提升、表面質(zhì)量明顯改善的同時(shí)，生產(chǎn)成本有所下降。目前，國外為了取消冷卻液所開展的工作主要有兩種方式：即低溫冷風(fēng)切削與高速干式切削。

1.1 低溫冷風(fēng)切削法

此切削方法是一種用-10℃～-100℃的冷風(fēng)和非常微量的植物油代替冷卻和潤滑油劑冷卻的加工方法。它由日本明治大學(xué)的橫川和彥等最先提出。研究發(fā)現(xiàn)，在金屬切削加工過程中，如果只給加工點(diǎn)提供非常微量、潤滑效果良好且未氧化的植物油，加工點(diǎn)就會(huì)因高溫而喪失潤滑性。若給加工點(diǎn)提供冷風(fēng)(-10℃～- 100℃)，就可以防止加工點(diǎn)的高溫化，避免上述情況發(fā)生。冷風(fēng)切削時(shí)切削性能大大提高。試驗(yàn)表明，冷風(fēng)切削、磨削在性能方面比油劑切削、磨削提高了2倍以上。有、無植物油切削劑與冷風(fēng)時(shí)的切削性能對(duì)比情況?？梢钥闯?，僅使用冷風(fēng)切削就比使用植物的效果好，而冷風(fēng)與微量植物油一起使用時(shí)，刀具的切削性能進(jìn)一步加強(qiáng)。試驗(yàn)時(shí)的切削條件：工件直徑：f92～f98mm，切削速度：45.1～48.0m/min，進(jìn)給：0.5mm，切削刀具：刀尖半徑R0.4，相當(dāng)于SKH4高速鋼，不重磨刀片。

1.2 高速干式切削法

此切削方法是在無冷卻、潤滑油劑的作用下，采用很高的切削速度進(jìn)行切削加工。高速干式切削是一項(xiàng)綜合技術(shù)，必須從刀具、機(jī)床和工件等各方面采取一系列合理、有效的措施,才能得以順利實(shí)施。

干式切削必須選用適當(dāng)?shù)那邢鳁l件。首先，采用很高的切削速度，盡量縮短刀具與工件間的接觸時(shí)間，再用壓縮空氣或其他類似的方法移去切屑，以控制工作區(qū)域的溫度。隨著數(shù)控技術(shù)的廣泛使用，機(jī)床剛性和動(dòng)態(tài)性能不斷提高，提高機(jī)床的切削速度并非難事。實(shí)踐證明，當(dāng)切削參數(shù)設(shè)置正確時(shí)，切削產(chǎn)生的熱量80%可被切屑帶走。高速干式切削法對(duì)刀具有嚴(yán)格的要求：1）切屑和刀具之間的摩擦系數(shù)要盡可能小（最有效的方法是刀具表面涂層），并輔以排屑良好的刀具結(jié)構(gòu)，減少熱量堆積；2）刀具應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性能，可在無切削液條件下工作。新型硬質(zhì)合金、聚晶陶瓷和CBN等切削材料是干式切削刀具的首選材料；3）干式切削刀具還應(yīng)具有比濕式切削刀具更高的強(qiáng)度和抗沖擊韌性。

2 高速干式切削法在齒輪加工中的應(yīng)用

齒輪是工程機(jī)械、摩托車、汽車等行業(yè)重要的基礎(chǔ)傳動(dòng)元件。隨著我國汽車行業(yè)上批量及上檔次升級(jí)，對(duì)齒輪的需求量越來越多，因而齒輪加工行業(yè)對(duì)制造精度、生產(chǎn)效率、提高質(zhì)量及清潔生產(chǎn)提出了更高的要求。二十一世紀(jì)的制造生產(chǎn)將日益走向全球化，國際制成品市場(chǎng)的競爭將愈加激烈，由此要求制造企業(yè)必須對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有需求和潛在需求做出快速響應(yīng)，具備性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的產(chǎn)品和交貨迅速的制造能力。這必將使制造加工技術(shù)朝著快速、低消耗和優(yōu)質(zhì)、高精度的方向發(fā)展。

近年來，在高速切削機(jī)理研究方面，成就比較突出的是美國洛克希德導(dǎo)彈和空間公司的科學(xué)家羅伯特·金（Robert I.King）和麥克唐納（McDonald）。他們?cè)?0世紀(jì)70年代中期開始著手驗(yàn)證和發(fā)展沃漢（Vaughan）的研究結(jié)論，并提出了一個(gè)比較完整和可靠的高速切削機(jī)理，從理論上證實(shí)了高速切削的可行性和優(yōu)越性。他們的研究主要集中在切屑成型理論、金屬斷裂、突變滑移、絕熱剪切及各種材料的切屑成型方面。早在60年代初，美國空軍就開始了超高速切削機(jī)理的研究。1979年，美國國防高科技技術(shù)研究總署規(guī)劃了超高速切削基礎(chǔ)技術(shù)研究。美國福特公司的印第安那工廠，在世界上最先將干態(tài)高速滾齒成功地用于實(shí)際生產(chǎn)。該廠以難度較大的大螺旋角轉(zhuǎn)向齒輪作為攻關(guān)對(duì)象，材料為SAE1045，硬度22Rc，采用硬質(zhì)合金滾刀干滾，最終將生產(chǎn)時(shí)間壓縮46%，生產(chǎn)成本降低29%，刀具壽命延長4倍，工件的幾何精度和齒面粗糙度都得到了改善。

在德國，高速切削得到了國家研究技術(shù)部的高度重視，1984年撥款1160萬馬克組織了以Darmstadt工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所為首的41家單位進(jìn)行聯(lián)合研究，全面系統(tǒng)地研究了超高速切削機(jī)床、刀具、控制系統(tǒng)等相關(guān)的高速加工技術(shù)，并分別對(duì)各種工件材料的高速切削性能進(jìn)行了深入的研究和試驗(yàn)。德國在高速干式切削領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位，現(xiàn)有8%左右的企業(yè)采用干式切削，這預(yù)示著高速干式滾齒技術(shù)將是未來齒輪加工發(fā)展的一個(gè)方向。

日本也于60年代開始了超高速切削機(jī)理的研究，注意吸收各國的研究成果并將其應(yīng)用到新產(chǎn)品的開發(fā)上，進(jìn)入90年代，以松浦、牧野、馬扎克等公司為代表的一些機(jī)床制造廠，已將一批高速加工機(jī)床推向市場(chǎng)。日本尖端技術(shù)研究會(huì)已把超高速切削列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一。日本堅(jiān)藤鐵工所開發(fā)的KC250H型干式滾齒機(jī)，采用硬質(zhì)合金滾刀、冷風(fēng)冷卻、微量潤滑，進(jìn)行高速滾齒，由于供給的是溫度穩(wěn)定的冷風(fēng)，工件的熱變形極小。它與傳統(tǒng)的采用高速鋼滾刀和二刃型濕式滾齒機(jī)相比，加工速度提高了3.2倍，齒輪精度也明顯提高。

目前，我國對(duì)高速干式滾齒技術(shù)的研究還比較少，在這方面的研究成果也比較少，不過有關(guān)單位亦有不小進(jìn)步。

高速干式齒輪加工與傳統(tǒng)的齒輪加工相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)：1）極高的切削速度使得大量的切削熱（95%～98%）來不及傳給工件就屑帶走，工件表面受熱變形小，適合加工容易熱變形的零件。2）采用熱硬性好的刀具材料，常?？梢圆挥们邢饕哼M(jìn)行干切削，減少了環(huán)境污染。3）從動(dòng)力學(xué)的角度，高速干式滾齒加工過程中，隨著切削速度的提高，切削力降低，而切削力正是切削過程中產(chǎn)生振動(dòng)的主要激勵(lì)源；轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床低階固有頻率，而工件的加工表面粗糙度對(duì)低階固有頻率最敏感，因此高速干式滾齒可大大降低加工表面粗糙度。4）隨著切削速度和進(jìn)給速度的提高，單位時(shí)間的材料切除率大大增加，縮短了切削加工工時(shí)，提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本。5）由于采用了很高的切削速度和進(jìn)給速度，允許采用較小的切削用量進(jìn)行切削加工。切削力大幅度減少，切削熱也隨之下降，工藝系統(tǒng)變形減小。6）由于主軸轉(zhuǎn)速很高，機(jī)床激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，工統(tǒng)振動(dòng)很小，容易得到很好的表面質(zhì)量，可作為機(jī)械加工的最終工序。同時(shí)切屑是在瞬時(shí)間被切離工件，工件表面的殘余應(yīng)力非常小。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

3.1 空間和能量消耗

主要考慮三個(gè)方面：干切的加工時(shí)間是傳統(tǒng)加工方法的25%，電機(jī)工作的時(shí)間只是原來的1/4；工作條件是高速大扭矩；干切加工過程不需要油泵、油霧收集等；

3.2 單件成本

按照17組刀盤計(jì)算，對(duì)于硬質(zhì)合金刀具，在刀具的生命周期內(nèi)所加工的零件總數(shù)：300×100=30000（每次刃磨可加工零件總數(shù)300件）單件成本：$32852/30000=$1.10。對(duì)于HSS刀具，在刀具的生命周期內(nèi)所加工的零件總數(shù)：150×50（可以重磨50次）=7500（每次刃磨可加工零件總數(shù)150件）單件成本：$16198/7500=$2.16。可見：雖然硬質(zhì)合金刀具本身比較貴，但是由于其可重磨次數(shù)增加和每次重磨后的加工零件數(shù)比較多，最終的反映在工件上的成本卻是降低了；因此，對(duì)于干切來講，若保持高效率無污染生產(chǎn)的同時(shí)仍有生產(chǎn)成本的下降。

3.3 所占面積

在優(yōu)化的條件下，一臺(tái)干切的加工設(shè)備可以取代4臺(tái)傳統(tǒng)的加工設(shè)備；另外因?yàn)楦墒角邢髟O(shè)備可以省去油箱、鐵屑傳輸、油霧收集和熱交換裝置，其占地面積可以減小到350sq.ft，而傳統(tǒng)設(shè)備占地面積為500sq.ft。可見在同樣生產(chǎn)綱領(lǐng)的條件下，只用原來18%的占地面積、25%的能量消耗和相同或更加低的刀具成本就能夠完成正常的生產(chǎn)任務(wù)；另外還有前面提到的切削油的節(jié)省、環(huán)境

的保護(hù)、降低了的對(duì)人體的傷害等等；這同時(shí)也體現(xiàn)在生產(chǎn)投資的減少方面，按照上面的測(cè)算，考慮在熱前加工的切齒部分，包括設(shè)備投資、刀具消耗、電能消耗和占地面積的減少方面，實(shí)際的投資可以減少大約20%-30%左右。

3.4 加工時(shí)間

可見，采用干切工藝可使加工效率提高一倍。

通過實(shí)際在GLEASON 600HC設(shè)備上采用硬質(zhì)合金刀條用端面滾切的干式加工方式對(duì)390mm汽車后橋錐齒輪進(jìn)行了加工試驗(yàn)，小輪加工2min43s，大輪加工僅用4min20s；而用傳統(tǒng)的加工方法濕切同樣產(chǎn)品，小輪加工時(shí)間8.5min，大輪加工10.6min，生產(chǎn)效率相差一倍以上。

4 結(jié)束語

干式切削與傳統(tǒng)切削相比，尤其對(duì)齒輪的加工，實(shí)現(xiàn)高速干式切削工藝過程，具有提高加工精度和表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，降低切削力并且可加工高硬材料等許多優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新意義在于綜合優(yōu)化干式切削工藝過程。將來能提供通過生產(chǎn)加工考核的包括專用刀具開發(fā)技術(shù)、齒坯切削性能改善技術(shù)和加工參數(shù)確定以及機(jī)床調(diào)整技術(shù)等方面的干式切削加工工藝規(guī)范。同時(shí)可以提升先進(jìn)制造技術(shù)的研發(fā)水平并以實(shí)施汽車、航空、模具等制造業(yè)部分零部件的綠色制造，來推動(dòng)國內(nèi)機(jī)械制造業(yè)的綠色制造發(fā)展進(jìn)程。

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