高速干式切削加工過程中的粉塵自動吸附技術研究

（衢州職業(yè)技術學院 機電工程學院，衢州 324000）

0 引言

21世紀是一個充滿了環(huán)保和綠色工程的新世紀，在技術發(fā)展的新浪潮里， “綠色制造”是一朵嶄新的奇葩。因為環(huán)保的需要，切削領域所有的技術人員都意識到了加工過程中產(chǎn)生的切削液不僅對環(huán)境造成污染，而且對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展迫在眉睫。由于高速加工技術越來越多的應用，切削液的使用量也越來越多，這種情況造成了以下三種弊端：

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

2）切削液會嚴重污染環(huán)境；

3）切削液會直接或者間接對操作者健康產(chǎn)生巨大影響。

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

1）它是切削加工的新工藝；

2）它可以加工難加工材料；

3）它可以滿足制新需求；

4）它對環(huán)保有利。

基于以上四點，取消或減少切削液和潤滑劑的使用已成為切削加工技術的必然趨勢，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吸附技術

1.1 高速干式切削技術

1.1.1 技術的提出與發(fā)展

在上世紀1995年，干式切削的科學意義被正式確立，在1997年的國際生產(chǎn)工程研究會（CIRP）年會上，德國Aachen工業(yè)大學的F.Klocke教授作了“干切削”的相關主題報告；1999年1月在美國國家科學基金“設計與制造學科”受資助者會議上，國際著名的刀具制造廠MAPAL公司的總裁B.P.Erdel博士也作了有關美國干切削發(fā)展的主題報告[2]。

從提出概念到發(fā)展至今，發(fā)達國家非常重視對其的研究。干式切削技術已經(jīng)成功的應用到了各項領域，并且取得了一定得成果。許多著名的機床生產(chǎn)商都在研制干切削機床加工中心。預計到2012年以后會有20%以上的加工技術是運用干式切削技術，未來生產(chǎn)模式的變化將不可扭轉(zhuǎn)。

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

1.1.2 高速干式切削機床技術

在設計高速干式切削機床的過程中，需要考慮以下兩個問題：

1）散熱：高速干式切削時在會在切削區(qū)域產(chǎn)生的大量切削熱，如果不能及時的排走，會將熱量傳遞給機床床身，導致機床床身變形，最終就會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，這樣才能及時有效的將切屑迅速排除，最好可以實現(xiàn)自動化[3]。

1.1.3 高速干式切削刀具技術

高速干切削要求刀具材料具有高強度、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)應盡可能小；刀具的構(gòu)造和外形應保證排屑順暢，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，無須冷卻液；

3）立方氮化硼（CBN）刀具，高硬度，熱導性好，抗化學腐蝕性佳；

4）聚晶金剛石（PCD）刀具，硬度非常高，熱導性好[4]。

除了選用合適的材料外，刀具涂層技術也可以很好的改善刀具的切削性能：

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

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

1.2 粉塵自動吸附技術

在高速干式加工過程中，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實現(xiàn)。

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

通過國內(nèi)外相關技術的調(diào)研，在高速干式切削加工領域，還未有過針對粉塵回收技術進行過專項的研究。但是在化纖、重型機械、林業(yè)等領域，粉塵自動收集和清除的技術已經(jīng)廣泛的應用于科研生產(chǎn)當中，相關的技術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）旋風分離器；（2）濾芯過濾器。

2 粉塵自動吸附系統(tǒng)設計

本文研制開發(fā)了針對高速干式切削加工過程中的粉塵自動吸附系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過控制系統(tǒng)實時調(diào)整系統(tǒng)性能，實現(xiàn)高加工精度，降低切削液的使用。

2.1 粉塵自動吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

高速干式切削加工過程粉塵自動吸附結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示，主要由葉環(huán)形吸塵管、反射型龍卷風除塵系統(tǒng)，濕式除塵系統(tǒng)，變頻動力系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)通過實時監(jiān)測，由變頻動力系統(tǒng)對葉片吸力泵進行調(diào)整，以改變吸附動力，實現(xiàn)全程精密控制，達到良好的吸附除塵效果。

2.2 粉塵自動吸附系統(tǒng)控制設計

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

表1 研究周期及進度

圖1 粉塵自動吸附結(jié)構(gòu)組成示意圖

控制系統(tǒng)采用閉環(huán)方式控制，改變對粉塵產(chǎn)生的各影響因素：切削速度，進給量，切削深度和材料特性。通過進行實時的數(shù)據(jù)采集，通過PLC中央控制單元，可以計算出加工過程中產(chǎn)生粉塵量，然后通過調(diào)整葉片吸力泵來調(diào)整吸力。整個系統(tǒng)精度高，可編程，全程精密可控。通過集成控制，成功的將其他行業(yè)的成功經(jīng)驗借鑒并發(fā)展應用，有效了實現(xiàn)了設計初衷和預期結(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 粉塵自動吸附系統(tǒng)工作流程

粉塵自動吸附系統(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除塵系統(tǒng)串聯(lián)加濕式除塵系統(tǒng)的雙級系統(tǒng)回收工藝，下面詳細介紹兩套系統(tǒng)組成。

1）龍卷風除塵系統(tǒng)

龍卷風除塵系統(tǒng)學名叫做旋流式除塵系統(tǒng)，設計中改進了常用的一次分離技術，使用了更為先進的二次分離技術，它加速了氣流的旋轉(zhuǎn)速度，進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，與一般的旋風除塵系統(tǒng)相比，它的除塵效率要更高，在一定條件下可達99.9%。

具體的工作原理如下所述：含粉塵的氣流通過環(huán)形吸塵管進入，然后被送入反射型龍卷風除塵系統(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，進行第一次分離。接著其余的氣流帶著剩余的粉塵進入第二次分離室，在同樣的原理下，進行二次分離，經(jīng)過二次分離之后，剩余的極細小的粉塵進入濕式除塵系統(tǒng)中。

從工作原理和工作過程中我們可以看出，含有粉塵的氣流經(jīng)過兩次分離，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)學名叫做水霧除塵系統(tǒng)，具體的工作原理如下所述：經(jīng)過龍卷風除塵系統(tǒng)二次分離之后仍未能被收集的剩余粉塵跟隨氣流進入該系統(tǒng)中，經(jīng)分析，這時的粉塵主要是5μm以下的超細粉末，以一定的速度送入該濕式除塵系統(tǒng)中，通過霧狀水汽的噴灑，粉塵和水充分接觸，充分混合沉淀完成分離，可以實現(xiàn)很高的粉末清除效率。濕式除塵系統(tǒng)的水可以通過過濾網(wǎng)進行過濾，然后循環(huán)使用，最終的的循環(huán)廢水經(jīng)過特殊處理后排放，排放標準復合國家規(guī)定。

通過兩個系統(tǒng)的共同作用，整體工作流程問題，工藝流程可靠，可以實現(xiàn)各項技術指標和設計要求，符合理論預期，有很好的市場前景。

3 結(jié)論

通過對高速干式切削加工過程中的粉塵自動吸附技術研究，研制開發(fā)粉塵自動吸附系統(tǒng)，可以顯著提高加工精度和加工效率，降低能量降耗，實現(xiàn)綠色環(huán)保，適應當前節(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實的基礎。

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

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

[3]鄧定瀛,陳世平.干式切削加工技術的現(xiàn)狀與未來[J].機械設計與制造工程,2002,(4): 30-31.

[4]張報山,等.綠色切削及其刀具技術研究[J].機械制造與研究,2006,(5): 69-71.

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