高速干式切削加工过程中的粉尘自动吸附技术研究

2012-01-25衢州职业技术学院机电工程学院衢州324000

制造业自动化 2012年12期

（衢州职业技术学院机电工程学院，衢州 324000）

0 引言

21世纪是一个充满了环保和绿色工程的新世纪，在技术发展的新浪潮里， “绿色制造”是一朵崭新的奇葩。因为环保的需要，切削领域所有的技术人员都意识到了加工过程中产生的切削液不仅对环境造成污染，而且对操作者的健康也已经造成了伤害，切削液的治理工作的开展迫在眉睫。由于高速加工技术越来越多的应用，切削液的使用量也越来越多，这种情况造成了以下三种弊端：

1）浪费了巨大的资源和能源（据统计资料显示，切削液使用费用占总制造成本的16%，而切削刀具费用仅占总制造成本的3%～4%[1]）；

2）切削液会严重污染环境；

3）切削液会直接或者间接对操作者健康产生巨大影响。

因此高速干式切削横空出世，它为我们带来的清洁又高效、安全无污染的全新切削方法，是对切削技术的全面更新。与传统湿式加工方式比较，高速干式切削加工技术具备以下四个优点：

1）它是切削加工的新工艺；

2）它可以加工难加工材料；

3）它可以满足制新需求；

4）它对环保有利。

基于以上四点，取消或减少切削液和润滑剂的使用已成为切削加工技术的必然趋势，于是高速干式切削工艺的概念慢慢形成。

1 高速干式切削及粉尘自动吸附技术

1.1 高速干式切削技术

1.1.1 技术的提出与发展

在上世纪1995年，干式切削的科学意义被正式确立，在1997年的国际生产工程研究会（CIRP）年会上，德国Aachen工业大学的F.Klocke教授作了“干切削”的相关主题报告；1999年1月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著名的刀具制造厂MAPAL公司的总裁B.P.Erdel博士也作了有关美国干切削发展的主题报告[2]。

从提出概念到发展至今，发达国家非常重视对其的研究。干式切削技术已经成功的应用到了各项领域，并且取得了一定得成果。许多著名的机床生产商都在研制干切削机床加工中心。预计到2012年以后会有20%以上的加工技术是运用干式切削技术，未来生产模式的变化将不可扭转。

在我国，由于起步较早的优势，许多高校和研究所都取得了不少研究成果。

1.1.2 高速干式切削机床技术

在设计高速干式切削机床的过程中，需要考虑以下两个问题：

1）散热：高速干式切削时在会在切削区域产生的大量切削热，如果不能及时的排走，会将热量传递给机床床身，导致机床床身变形，最终就会影响加工精度以及粗糙度值。

2）清除切屑：为了更加顺畅的清除排屑，高速干式切削机床在结构上要尽可能采用立式主轴和倾斜式床身，这样才能及时有效的将切屑迅速排除，最好可以实现自动化[3]。

1.1.3 高速干式切削刀具技术

高速干切削要求刀具材料具有高强度、高耐热性、高红硬性、耐热冲击性、热韧性、耐磨性和抗粘结性，摩擦系数应尽可能小；刀具的构造和外形应保证排屑顺畅，并且易于散热。

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，热导性好，热稳定性佳，并且摩擦系数低；

2）陶瓷（Al2O3，Si3N4）和金属陶瓷（Cermets）材料刀具，硬度变化小，无须冷却液；

3）立方氮化硼（CBN）刀具，高硬度，热导性好，抗化学腐蚀性佳；

4）聚晶金刚石（PCD）刀具，硬度非常高，热导性好[4]。

除了选用合适的材料外，刀具涂层技术也可以很好的改善刀具的切削性能：

1）“硬”涂层：如TiN、Tic、Al2O3等。特点是表面硬度高、耐磨性好。

2）“软 ”涂层，如 MoS2涂层、WS2涂层等。特点是表面摩擦系数低。例如，瑞士开发的“MOVIC”软涂层技术在刀具表面涂覆一层MoS2，在Si含量为9%的铝合金工件上进行干式攻丝加工结果显示，普通丝锥加工20个孔，MOVIC涂层丝锥可以加工4000个孔[5]。

1.2 粉尘自动吸附技术

在高速干式加工过程中，如何清除切屑，可以采用以下方法：

1）借助重力。例如以钻小加工为例，让刀具从下往上加工，就可以借助重力排屑；

2）采用立式和倾斜式床身，并且在四周布置用倾斜的隔板；

3）借助真空或喷气系统或虹吸现象。主要是采用压缩空气来实现。

在高速干式切削加工特定材料时，便会产生大量粉尘，这些粉尘会堆积在机床的关键部位，影响其性能。

通过国内外相关技术的调研，在高速干式切削加工领域，还未有过针对粉尘回收技术进行过专项的研究。但是在化纤、重型机械、林业等领域，粉尘自动收集和清除的技术已经广泛的应用于科研生产当中，相关的技术方法可以移植到告诉干式切削加工中。目前主要采用两种方式收集和清除粉尘：（1）旋风分离器；（2）滤芯过滤器。

2 粉尘自动吸附系统设计

本文研制开发了针对高速干式切削加工过程中的粉尘自动吸附系统，该系统可以通过控制系统实时调整系统性能，实现高加工精度，降低切削液的使用。

2.1 粉尘自动吸附系统结构设计

高速干式切削加工过程粉尘自动吸附结构组成示意图如图1所示，主要由叶环形吸尘管、反射型龙卷风除尘系统，湿式除尘系统，变频动力系统组成，该系统通过实时监测，由变频动力系统对叶片吸力泵进行调整，以改变吸附动力，实现全程精密控制，达到良好的吸附除尘效果。

2.2 粉尘自动吸附系统控制设计

高速干式切削加工过程中对粉尘产生起主要影响作用的因素有切削速度、进给量、切削深度和材料本身特性，各因素的变化对最终粉尘产生量的影响如表1所示。

表1 研究周期及进度

图1 粉尘自动吸附结构组成示意图

控制系统采用闭环方式控制，改变对粉尘产生的各影响因素：切削速度，进给量，切削深度和材料特性。通过进行实时的数据采集，通过PLC中央控制单元，可以计算出加工过程中产生粉尘量，然后通过调整叶片吸力泵来调整吸力。整个系统精度高，可编程，全程精密可控。通过集成控制，成功的将其他行业的成功经验借鉴并发展应用，有效了实现了设计初衷和预期结果，作为一种有效手段提高了高速干式切削加工的质量。

2.3 粉尘自动吸附系统工作流程

粉尘自动吸附系统工作流程如图2所示。

图2 工作流程图

本系统采用了反射型龙卷风除尘系统串联加湿式除尘系统的双级系统回收工艺，下面详细介绍两套系统组成。

1）龙卷风除尘系统

龙卷风除尘系统学名叫做旋流式除尘系统，设计中改进了常用的一次分离技术，使用了更为先进的二次分离技术，它加速了气流的旋转速度，进一步的提高了离心力，离心力越高，可分离的粉尘就越小。不仅可以降低湍流扰动和气流紊乱的现象，而且最终结果显示，粉尘的分离直径小于5μm，与一般的旋风除尘系统相比，它的除尘效率要更高，在一定条件下可达99.9%。

具体的工作原理如下所述：含粉尘的气流通过环形吸尘管进入，然后被送入反射型龙卷风除尘系统的第一次分离室，随着气流的旋转碰撞形成回旋气流，粉末本身在自身重力和离心力的双重作用下，进行第一次分离。接着其余的气流带着剩余的粉尘进入第二次分离室，在同样的原理下，进行二次分离，经过二次分离之后，剩余的极细小的粉尘进入湿式除尘系统中。

从工作原理和工作过程中我们可以看出，含有粉尘的气流经过两次分离，两次沉淀，两次捕集，效果非常好。

2）湿式除尘系统

湿式除尘系统学名叫做水雾除尘系统，具体的工作原理如下所述：经过龙卷风除尘系统二次分离之后仍未能被收集的剩余粉尘跟随气流进入该系统中，经分析，这时的粉尘主要是5μm以下的超细粉末，以一定的速度送入该湿式除尘系统中，通过雾状水汽的喷洒，粉尘和水充分接触，充分混合沉淀完成分离，可以实现很高的粉末清除效率。湿式除尘系统的水可以通过过滤网进行过滤，然后循环使用，最终的的循环废水经过特殊处理后排放，排放标准复合国家规定。

通过两个系统的共同作用，整体工作流程问题，工艺流程可靠，可以实现各项技术指标和设计要求，符合理论预期，有很好的市场前景。