高速干式切削加工過(guò)程中的粉塵自動(dòng)吸附技術(shù)研究

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，衢州 324000）

0 引言

21世紀(jì)是一個(gè)充滿(mǎn)了環(huán)保和綠色工程的新世紀(jì)，在技術(shù)發(fā)展的新浪潮里， “綠色制造”是一朵嶄新的奇葩。因?yàn)榄h(huán)保的需要，切削領(lǐng)域所有的技術(shù)人員都意識(shí)到了加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削液不僅對(duì)環(huán)境造成污染，而且對(duì)操作者的健康也已經(jīng)造成了傷害，切削液的治理工作的開(kāi)展迫在眉睫。由于高速加工技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用，切削液的使用量也越來(lái)越多，這種情況造成了以下三種弊端：

1）浪費(fèi)了巨大的資源和能源（據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，切削液使用費(fèi)用占總制造成本的16%，而切削刀具費(fèi)用僅占總制造成本的3%～4%[1]）；

2）切削液會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境；

3）切削液會(huì)直接或者間接對(duì)操作者健康產(chǎn)生巨大影響。

因此高速干式切削橫空出世，它為我們帶來(lái)的清潔又高效、安全無(wú)污染的全新切削方法，是對(duì)切削技術(shù)的全面更新。與傳統(tǒng)濕式加工方式比較，高速干式切削加工技術(shù)具備以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）它是切削加工的新工藝；

2）它可以加工難加工材料；

3）它可以滿(mǎn)足制新需求；

4）它對(duì)環(huán)保有利。

基于以上四點(diǎn)，取消或減少切削液和潤(rùn)滑劑的使用已成為切削加工技術(shù)的必然趨勢(shì)，于是高速干式切削工藝的概念慢慢形成。

1 高速干式切削及粉塵自動(dòng)吸附技術(shù)

1.1 高速干式切削技術(shù)

1.1.1 技術(shù)的提出與發(fā)展

在上世紀(jì)1995年，干式切削的科學(xué)意義被正式確立，在1997年的國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)（CIRP）年會(huì)上，德國(guó)Aachen工業(yè)大學(xué)的F.Klocke教授作了“干切削”的相關(guān)主題報(bào)告；1999年1月在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金“設(shè)計(jì)與制造學(xué)科”受資助者會(huì)議上，國(guó)際著名的刀具制造廠(chǎng)MAPAL公司的總裁B.P.Erdel博士也作了有關(guān)美國(guó)干切削發(fā)展的主題報(bào)告[2]。

從提出概念到發(fā)展至今，發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視對(duì)其的研究。干式切削技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用到了各項(xiàng)領(lǐng)域，并且取得了一定得成果。許多著名的機(jī)床生產(chǎn)商都在研制干切削機(jī)床加工中心。預(yù)計(jì)到2012年以后會(huì)有20%以上的加工技術(shù)是運(yùn)用干式切削技術(shù)，未來(lái)生產(chǎn)模式的變化將不可扭轉(zhuǎn)。

在我國(guó)，由于起步較早的優(yōu)勢(shì)，許多高校和研究所都取得了不少研究成果。

1.1.2 高速干式切削機(jī)床技術(shù)

在設(shè)計(jì)高速干式切削機(jī)床的過(guò)程中，需要考慮以下兩個(gè)問(wèn)題：

1）散熱：高速干式切削時(shí)在會(huì)在切削區(qū)域產(chǎn)生的大量切削熱，如果不能及時(shí)的排走，會(huì)將熱量傳遞給機(jī)床床身，導(dǎo)致機(jī)床床身變形，最終就會(huì)影響加工精度以及粗糙度值。

2）清除切屑：為了更加順暢的清除排屑，高速干式切削機(jī)床在結(jié)構(gòu)上要盡可能采用立式主軸和傾斜式床身，這樣才能及時(shí)有效的將切屑迅速排除，最好可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[3]。

1.1.3 高速干式切削刀具技術(shù)

高速干切削要求刀具材料具有高強(qiáng)度、高耐熱性、高紅硬性、耐熱沖擊性、熱韌性、耐磨性和抗粘結(jié)性，摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能??；刀具的構(gòu)造和外形應(yīng)保證排屑順暢，并且易于散熱。

目前用于干切削的刀具主要有：

1）聚晶立方氮化硼（PCBN）刀，高硬度，高耐磨性，熱導(dǎo)性好，熱穩(wěn)定性佳，并且摩擦系數(shù)低；

2）陶瓷（Al2O3，Si3N4）和金屬陶瓷（Cermets）材料刀具，硬度變化小，無(wú)須冷卻液；

3）立方氮化硼（CBN）刀具，高硬度，熱導(dǎo)性好，抗化學(xué)腐蝕性佳；

4）聚晶金剛石（PCD）刀具，硬度非常高，熱導(dǎo)性好[4]。

除了選用合適的材料外，刀具涂層技術(shù)也可以很好的改善刀具的切削性能：

1）“硬”涂層：如TiN、Tic、Al2O3等。特點(diǎn)是表面硬度高、耐磨性好。

2）“軟 ”涂 層， 如 MoS2涂 層、WS2涂 層等。特點(diǎn)是表面摩擦系數(shù)低。例如，瑞士開(kāi)發(fā)的“MOVIC”軟涂層技術(shù)在刀具表面涂覆一層MoS2，在Si含量為9%的鋁合金工件上進(jìn)行干式攻絲加工結(jié)果顯示，普通絲錐加工20個(gè)孔，MOVIC涂層絲錐可以加工4000個(gè)孔[5]。

1.2 粉塵自動(dòng)吸附技術(shù)

在高速干式加工過(guò)程中，如何清除切屑，可以采用以下方法：

1）借助重力。例如以鉆小加工為例，讓刀具從下往上加工，就可以借助重力排屑；

2）采用立式和傾斜式床身，并且在四周布置用傾斜的隔板；

3）借助真空或噴氣系統(tǒng)或虹吸現(xiàn)象。主要是采用壓縮空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在高速干式切削加工特定材料時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，這些粉塵會(huì)堆積在機(jī)床的關(guān)鍵部位，影響其性能。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的調(diào)研，在高速干式切削加工領(lǐng)域，還未有過(guò)針對(duì)粉塵回收技術(shù)進(jìn)行過(guò)專(zhuān)項(xiàng)的研究。但是在化纖、重型機(jī)械、林業(yè)等領(lǐng)域，粉塵自動(dòng)收集和清除的技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于科研生產(chǎn)當(dāng)中，相關(guān)的技術(shù)方法可以移植到告訴干式切削加工中。目前主要采用兩種方式收集和清除粉塵：（1）旋風(fēng)分離器；（2）濾芯過(guò)濾器。

2 粉塵自動(dòng)吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研制開(kāi)發(fā)了針對(duì)高速干式切削加工過(guò)程中的粉塵自動(dòng)吸附系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)高加工精度，降低切削液的使用。

2.1 粉塵自動(dòng)吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速干式切削加工過(guò)程粉塵自動(dòng)吸附結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示，主要由葉環(huán)形吸塵管、反射型龍卷風(fēng)除塵系統(tǒng)，濕式除塵系統(tǒng)，變頻動(dòng)力系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由變頻動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)葉片吸力泵進(jìn)行調(diào)整，以改變吸附動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)全程精密控制，達(dá)到良好的吸附除塵效果。

2.2 粉塵自動(dòng)吸附系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

高速干式切削加工過(guò)程中對(duì)粉塵產(chǎn)生起主要影響作用的因素有切削速度、進(jìn)給量、切削深度和材料本身特性，各因素的變化對(duì)最終粉塵產(chǎn)生量的影響如表1所示。

表1 研究周期及進(jìn)度

圖1 粉塵自動(dòng)吸附結(jié)構(gòu)組成示意圖

控制系統(tǒng)采用閉環(huán)方式控制，改變對(duì)粉塵產(chǎn)生的各影響因素：切削速度，進(jìn)給量，切削深度和材料特性。通過(guò)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)PLC中央控制單元，可以計(jì)算出加工過(guò)程中產(chǎn)生粉塵量，然后通過(guò)調(diào)整葉片吸力泵來(lái)調(diào)整吸力。整個(gè)系統(tǒng)精度高，可編程，全程精密可控。通過(guò)集成控制，成功的將其他行業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)借鑒并發(fā)展應(yīng)用，有效了實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)初衷和預(yù)期結(jié)果，作為一種有效手段提高了高速干式切削加工的質(zhì)量。

2.3 粉塵自動(dòng)吸附系統(tǒng)工作流程

粉塵自動(dòng)吸附系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

本系統(tǒng)采用了反射型龍卷風(fēng)除塵系統(tǒng)串聯(lián)加濕式除塵系統(tǒng)的雙級(jí)系統(tǒng)回收工藝，下面詳細(xì)介紹兩套系統(tǒng)組成。

1）龍卷風(fēng)除塵系統(tǒng)

龍卷風(fēng)除塵系統(tǒng)學(xué)名叫做旋流式除塵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中改進(jìn)了常用的一次分離技術(shù)，使用了更為先進(jìn)的二次分離技術(shù)，它加速了氣流的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)一步的提高了離心力，離心力越高，可分離的粉塵就越小。不僅可以降低湍流擾動(dòng)和氣流紊亂的現(xiàn)象，而且最終結(jié)果顯示，粉塵的分離直徑小于5μm，與一般的旋風(fēng)除塵系統(tǒng)相比，它的除塵效率要更高，在一定條件下可達(dá)99.9%。

具體的工作原理如下所述：含粉塵的氣流通過(guò)環(huán)形吸塵管進(jìn)入，然后被送入反射型龍卷風(fēng)除塵系統(tǒng)的第一次分離室，隨著氣流的旋轉(zhuǎn)碰撞形成回旋氣流，粉末本身在自身重力和離心力的雙重作用下，進(jìn)行第一次分離。接著其余的氣流帶著剩余的粉塵進(jìn)入第二次分離室，在同樣的原理下，進(jìn)行二次分離，經(jīng)過(guò)二次分離之后，剩余的極細(xì)小的粉塵進(jìn)入濕式除塵系統(tǒng)中。

從工作原理和工作過(guò)程中我們可以看出，含有粉塵的氣流經(jīng)過(guò)兩次分離，兩次沉淀，兩次捕集，效果非常好。

2）濕式除塵系統(tǒng)

濕式除塵系統(tǒng)學(xué)名叫做水霧除塵系統(tǒng)，具體的工作原理如下所述：經(jīng)過(guò)龍卷風(fēng)除塵系統(tǒng)二次分離之后仍未能被收集的剩余粉塵跟隨氣流進(jìn)入該系統(tǒng)中，經(jīng)分析，這時(shí)的粉塵主要是5μm以下的超細(xì)粉末，以一定的速度送入該濕式除塵系統(tǒng)中，通過(guò)霧狀水汽的噴灑，粉塵和水充分接觸，充分混合沉淀完成分離，可以實(shí)現(xiàn)很高的粉末清除效率。濕式除塵系統(tǒng)的水可以通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，然后循環(huán)使用，最終的的循環(huán)廢水經(jīng)過(guò)特殊處理后排放，排放標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合國(guó)家規(guī)定。

通過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)的共同作用，整體工作流程問(wèn)題，工藝流程可靠，可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求，符合理論預(yù)期，有很好的市場(chǎng)前景。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高速干式切削加工過(guò)程中的粉塵自動(dòng)吸附技術(shù)研究，研制開(kāi)發(fā)粉塵自動(dòng)吸附系統(tǒng)，可以顯著提高加工精度和加工效率，降低能量降耗，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，適應(yīng)當(dāng)前節(jié)能減排的好找，為更好的推廣高速干式切削加工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]葉偉昌.干切削刀具及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程師,2000,(6):5-7.

[2]吳克忠,陳永潔,朱丹丹.干式切削及其刀具技術(shù)[J].硬質(zhì)合金,2005,(3): 47-50.

[3]鄧定瀛,陳世平.干式切削加工技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2002,(4): 30-31.

[4]張報(bào)山,等.綠色切削及其刀具技術(shù)研究[J].機(jī)械制造與研究,2006,(5): 69-71.

[5]羅勇,張伯霖,劉玉榮.干切削及其關(guān)鍵技術(shù)[A].全國(guó)生產(chǎn)工程第八屆大會(huì)論文集[C].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1999: 151-156.