鋁合金車輪干式和半干式切削技術(shù)探討

陳鐵牛

(廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041)

傳統(tǒng)的鋁合金車輪機加工過程中要使用大量的切削液，切削液的使用主要起到冷卻、潤滑，帶走切削產(chǎn)生的熱量，減少刀具磨損，防止工件表面氧化;減小摩擦，降低切削力，保證切削順暢。但大量切削液的使用給環(huán)境和工人健康帶來嚴(yán)重的威脅，加工過程中產(chǎn)生切削液煙霧，污染環(huán)境并威脅操作者的健康;切削液的添加劑(如硫、氯等)會給操作者的健康造成危害并影響加工質(zhì)量。另外，切削液廢液的回收和處理也給企業(yè)帶來額外的成本負擔(dān)。針對鋁合金車輪加工本身的特點以及人們對環(huán)保意識的不斷加強，同時隨著近年來原材料的不斷升價，特別是有色金屬的大幅度升價，越來越多的的企業(yè)承受著巨大的成本壓力，因此具有節(jié)能、環(huán)保的綠色鋁合金車輪干式、半干式切削技術(shù)將會有廣闊的應(yīng)用前景［1-2］。

1 鋁合金車輪不同冷卻介質(zhì)作用下切削對比試驗

鋁合金車輪的制造成形方法主要為板成形、鍛造和鑄造，其中鑄造成形成本最低，適用范圍廣，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，從而最具競爭力。目前鑄造鋁合金車輪已風(fēng)靡世界，其合金主要有兩類:對于不需要熱處理的合金選用Al-Si11 或類似的合金;對于需要通過熱處理提高靜態(tài)力學(xué)性能以增加車輪使用壽命及塑性的合金，則采用類似于Al-Si7 的合金，其中應(yīng)用最廣泛的是特殊硅鋁合金Al-Si-Mg 系。目前，在鋁合金車輪制造行業(yè)，使用最多的合金是A356，A356 合金是Al-Si -Mg 系亞共晶鑄造合金，國內(nèi)捭號為ZL101A［3］。由于鋁合金車輪的強度和硬度低(60～100 HB)，導(dǎo)熱性好，塑性較低，允許高速切削，實際生產(chǎn)中鋁合金車輪對刀具的磨損很嚴(yán)重，刀-屑粘結(jié)現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。為了解決鋁合金切削過程中的冷卻和潤滑問題，傳統(tǒng)的切削過程都采用澆注法和噴霧冷卻法進行機加工過程的冷卻，如果要進行鋁合金車輪的干式切削和半干式切削，首先必須解決不使用切削液帶來的冷卻和潤滑的難題。為此，本文對比了鋁合金車輪在不同冷卻介質(zhì)作用下的切削性能，分別對壓縮空氣冷卻、氣霧冷卻、油霧冷卻狀態(tài)下的鋁合金車輪刀具壽命進行對比試驗。

1.1 實驗方案

采用YG6 刀片加工15 英寸鋁合金車輪內(nèi)輪輞(如圖1 所示)，分別對在刀具前刀面無冷卻介質(zhì)加冷卻介質(zhì)。壓縮空氣、氣霧、油霧冷卻介質(zhì)作用下的鋁合金車輪切削進行對比實驗，具體試驗參數(shù)如表1 所示。其中氣霧和油霧冷卻裝置如圖2 和圖3 所示。在表1參數(shù)作用下，對比刀具的加工壽命，以車輪加工表面質(zhì)量出現(xiàn)惡化，如出現(xiàn)起毛等無法接受的外觀缺陷為刀片磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，并與干車削和濕式車削進行對比。

表1 鋁合金車輪實驗切削參數(shù)

1.2 實驗結(jié)果及分析

不同冷卻介質(zhì)作用下鋁合金車輪刀具加工壽命對比如圖4 所示。

從圖4 可見，無冷卻介質(zhì)作用下，YG6 材質(zhì)刀具加工鋁合金車輪壽命只有214 件，明顯比濕式切削3 000件的加工壽命要短，可見無冷卻液狀態(tài)下的鋁合金車輪切削狀態(tài)急劇惡化，粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重;采用壓縮空氣冷卻后刀具的使用壽命從214 件提高到455 件，其使用壽命有所增加。增加氣霧后刀具壽命提高的幅度較大，加工1 650 件才出現(xiàn)產(chǎn)品表面質(zhì)量惡化。由于是手動調(diào)節(jié)乳化液供給，不易控制供給量的大小，供給量大時起不到節(jié)約成本的作用，且產(chǎn)生很大的氣霧，影響生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，不利于員工的健康，供應(yīng)量小時又無法達到潤滑效果。因此要考慮定量供給裝置。氣霧冷卻使刀具壽命大幅度增加，正是因為其不但具有壓縮空氣冷卻的特點，同時由于切削液以霧狀噴射到切削區(qū)，當(dāng)微小的液滴碰到灼熱的刀具、鋁屑時，便很快汽化，帶走大量的熱量，從而起到比壓縮空氣更好的冷卻效果，同時少量切削液的使用，增強了刀具/工件、刀具/切屑之間的潤滑作用，在冷卻和潤滑兩大重要作用增強的情況下，氣霧冷卻狀態(tài)下刀具的壽命得以提高。油霧冷卻刀具的加工壽命達到2 670 件產(chǎn)品，已接近濕式切削的效果，但同樣存在著油霧供給量不易控制，油霧揮發(fā)對人產(chǎn)生危害，同時由于68 號機油粘度較高，不易霧化，閃點較低(250 ℃)，在機床密閉的加工空間，易產(chǎn)生爆炸［4-7］。由于在壓縮空氣冷卻的基礎(chǔ)上增加微量的潤滑油，使壓縮空氣的潤滑效果成倍增長，雖然油的冷卻效果不好，但經(jīng)過霧化的油較澆注狀態(tài)下的油的冷卻效果有很大改進，輔以壓縮空氣的冷卻作用，使油霧冷卻下刀具壽命接近濕式切削的效果。使用油霧冷卻易著火和對員工產(chǎn)生危害，但加工后的車輪表面粗糙度較低，刀具磨損較小，如能夠很好地控制供給量和避免爆炸等危險，應(yīng)該對鋁合金車輪的半干式切削的實施有很大的幫助。

從現(xiàn)代傳熱學(xué)角度研究空氣的熱傳導(dǎo)問題，即熱傳導(dǎo)方程

式中:ΔT 為兩種載體的溫差，℃;α 為換熱系數(shù)，W/m2·℃;A 為換熱面積，m2;Q 為面積A 上的傳熱熱量，W［1］。

根據(jù)式(1)可知，換熱系數(shù)α 是物質(zhì)的固有屬性，是無法改變的。如果將原有的濕式冷卻方式改為無冷卻介質(zhì)和壓縮空氣冷卻，換熱系數(shù)α 將發(fā)生很大變化(對流換熱系數(shù)的大致量級:空氣自然對流5～25，氣體強制對流20～100，水的自然對流200～1 000，水的強制對流1 000～15 000［8］)，我們可以將無冷卻介質(zhì)當(dāng)作空氣自然對流，壓縮空氣冷卻當(dāng)作強制對流，濕式冷卻類似于水的強制對流，由物質(zhì)的對流系數(shù)可見，氣體強制對流換熱系數(shù)是空氣自然對流的4 倍，水的強制對流是空氣自然對流的200～600 倍，是氣體強制對流的50～150 倍。從圖4 顯示的實驗數(shù)據(jù)可見，壓縮空氣冷卻下加工鋁合金車輪的刀具壽命是無冷卻介質(zhì)的2.12 倍，濕式冷卻下的刀具壽命是無冷卻介質(zhì)的14 倍，是壓縮空氣冷卻下的6.59 倍。由于濕式冷卻介質(zhì)不完全是水，同時壓縮空氣壓力大小對冷卻效果也有影響，因此，上述分析與實驗趨勢一致，但具體數(shù)據(jù)會有差別。

由以上分析可見，將濕式冷卻換成壓縮空氣或者無冷卻介質(zhì)，換熱系數(shù)α 的變化導(dǎo)致的傳熱效果下降是非常巨大的。為此，要將傳統(tǒng)的濕式冷卻改變成干式和半干式冷卻，必須要增大兩種載體的溫差ΔT 或者增大換熱面積A。如果能夠?qū)諝鉄醾鲗?dǎo)過程進行一番改造，創(chuàng)造條件讓空氣起到良好的換熱作用，即通過對空氣實施冷卻，擴大低溫空氣和切削區(qū)的溫差(ΔT)，使氣體有較強的冷卻能力，以射流方式讓空氣以較快的速度通過切削區(qū)，使單位時間通過切削區(qū)截面的冷氣越多，說明通過切削區(qū)動態(tài)換熱面積A 越大，因而能夠帶走更多的熱量，從而彌補空氣換熱系數(shù)α 小的不足，這樣空氣就成為切削區(qū)強化換熱的良好載體。其次，氣體比液體更容易進入刀具/切屑、刀具/工件的接觸界面，冷卻作用更直接，冷卻效果更明顯［1］。

2 鋁合金棒料不同冷卻介質(zhì)作用下的切削性能對比試驗

2.1 實驗方案

為了進一步對比鋁合金車輪在不同冷卻介質(zhì)作用下的切削性能，利用鋁合金車輪原料鋁棒(與鋁合金車輪同材質(zhì)、同樣T6 熱處理工藝)，分別以無冷卻介質(zhì)、壓縮空氣冷卻、氣霧冷卻、油霧冷卻、純氧冷卻、低溫冷風(fēng)冷卻作用下，在C6140 普通車床上，使用YG6硬質(zhì)合金刀片，采用主軸轉(zhuǎn)速315 r/min(線速度69 m/min)，粗車進給F=0.229 mm/r，精車進給F=0.028 mm/r，粗車背吃刀量0.5 mm，精車背吃刀量0.2 mm 進行車削試驗。分別用以上冷卻方式粗車鋁棒5 min，對比刀具前后刀面的磨損情況，同時采用以上冷卻方式精車，對比它們的表面粗糙度情況。圖5為氧氣冷卻狀態(tài)下切屑鋁合金棒料的情況，其中氧氣壓力為0.1 MPa(直接采用氣割的割槍噴嘴)。圖6 為采用大型冷庫的低溫冰塊(約-5℃～-10℃)獲取低溫冷風(fēng)的裝置。即將散熱片和銅管放入冰塊中，裝置中銅管的長度盡量長，截面直徑盡量小，讓其中的壓縮空氣管路在冰塊中迂回停留的時間盡量長，接觸面積盡量大，實驗中銅管有100 m 左右，壓縮空氣壓力通過調(diào)節(jié)閥調(diào)整后約0.2 MPa，降低流速，以提高熱交換時間。

2.2 實驗結(jié)果

無冷卻介質(zhì)、氧氣冷卻、壓縮空氣冷卻、氣霧冷卻、油霧冷卻和低溫冷風(fēng)冷卻粗車削Ф70 mm 鋁合金棒料刀具磨損對比如圖7 和圖8 所示。圖中是各種冷卻方式下粗車鋁棒5 min 后刀具前后刀面磨損情況照片和磨損值。

6 種冷卻方式下對Ф70 mm 鋁合金棒料精加工表面粗糙度對比如圖9 和圖10 所示。圖中采用北京時代之峰科技有限公司TR210 手持式粗糙度儀測量。

從圖7～10 可見，氧氣冷卻狀態(tài)下刀具后刀面磨損寬度是0.233 7 mm，介于無冷卻介(0.294 7 mm)和壓縮空氣冷卻(0.182 9 mm)之間，其表面粗糙度也是介于這兩者之間，Ra值為0.612 μm。從數(shù)據(jù)可見，使用氧氣作為冷卻介質(zhì)與無冷卻介質(zhì)相比，可以增加冷卻效果(由于壓力只有0.1 MPa，無法達到0.4 MPa 壓縮空氣的冷卻效果)，由于鋁合金是一種很易氧化的物質(zhì)，與氧氣反應(yīng)生成Al2O3，這層Al2O3緊密地粘附在刀具表面。Al2O3本身為一種氧化膜，可以防止鋁屑和刀具表面直接接觸，從而保護刀具［8-9］。由于Al2O3的生成，增加了刀具的潤滑效果，但畢竟Al2O3的潤滑作用有限，無法大幅度提高刀具壽命。從圖中可見低溫冷風(fēng)狀態(tài)下其刀具后刀面磨損為0.124 4 mm、表面粗糙度Ra=0.459 μm，其效果還是十分明顯的，有效地降低了切削區(qū)的溫度，從而控制積屑瘤的產(chǎn)生，延長刀具壽命，但由于潤滑效果不佳，需考慮增加潤滑介質(zhì)。

低溫冷卻切削通常利用液態(tài)氮、液體CO2及其他低溫液體或氣體的冷卻特性，通過一定裝置將冷卻氣體或液體送入切削區(qū)，可極大地降低切削區(qū)溫度的切削加工方法。這種方法可極大地提高刀具壽命和生產(chǎn)效率，并顯著改善加工精度和表面質(zhì)量。低溫切削具有以下特點:(1)可減小切削力。由于低溫切削降低了切削區(qū)的溫度，使被切削材料的塑性和韌性降低，脆性增加，切削時變形減小，因而切削力有所減小。(2)切削溫度大大降低。(3)刀具壽命大幅度提高。由于切削溫度大幅度降低，刀具材料的硬度降低較小，刀具磨損減小，刀具使用壽命相應(yīng)提高。(4)可提高加工表面質(zhì)量。據(jù)有關(guān)資料介紹，工件溫度在-20 ℃時，積屑瘤基本被抑制，低于-20 ℃時不僅積屑瘤消失，而且在加工表面上可清晰地觀察到切削刃原形的刻印痕跡，大大減小了其表面粗糙度值［10］。

3 結(jié)語

通過對比分析無冷卻介質(zhì)、風(fēng)冷切削、氣霧冷卻切削、油霧冷卻切削以及探討低溫冷風(fēng)和低溫油霧冷卻等冷卻方式。對比在不同冷卻介質(zhì)下刀具的使用壽命和產(chǎn)品的加工表面質(zhì)量，可見油霧冷卻方式下刀具的壽命較長，其加工后的表面質(zhì)量也較佳，但常溫下油霧易發(fā)生爆炸，對員工健康不利。低溫冷風(fēng)方法冷卻刀具壽命與油霧冷卻相當(dāng)，表面質(zhì)量也較好，能夠很好地解決切削區(qū)冷卻的問題，如果能夠通過適當(dāng)方法增強潤滑效果(如低溫油霧)，勢必會給鋁合金車輪干切削和半干切削帶來廣闊的前景。

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