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保和綠色工程的新世紀，在技術發展的新浪潮里， “綠色制造”是一朵嶄新的奇葩。因為環保的需要，切削領域所有的技術人員都意識到了加工過程中產生的切削液不僅對環境造成污染，而且對操作者的健康也已經造成了傷害，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（據統計資料顯示，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境；

3）切削液會直接或者間接對操作者健康產生巨大影響。

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年的國際生產工程研究會（CIRP）年會上，德國Aachen工業大學的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展的主題報告[2]。

從提出概念到發展至今，發達國家非常重視對其的研究。干式切削技術已經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，未來生產模式的變化將不可扭轉。

在我國，由于起步較早的優勢，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域產生的大量切削熱，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構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、耐磨性和抗粘結性，摩擦系數應盡可能小；刀具的構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，熱穩定性佳，并且摩擦系數低；

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低。例如，瑞士開發的“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或虹吸現象。主要是采用壓縮空氣來實現。

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

通過國內外相關技術的調研，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、林業等領域，粉塵自動收集和清除的技術已經廣泛的應用于科研生產當中，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 粉塵自動吸附系統設計

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

2.1 粉塵自動吸附系統結構設計

高速干式切削加工過程粉塵自動吸附結構組成示意圖如圖1所示，主要由葉環形吸塵管、反射型龍卷風除塵系統，濕式除塵系統，變頻動力系統組成，該系統通過實時監測，由變頻動力系統對葉片吸力泵進行調整，以改變吸附動力，實現全程精密控制，達到良好的吸附除塵效果。

2.2 粉塵自動吸附系統控制設計

高速干式切削加工過程中對粉塵產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 粉塵自動吸附結構組成示意圖

控制系統采用閉環方式控制，改變對粉塵產生的各影響因素：切削速度，進給量，切削深度和材料特性。通過進行實時的數據采集，通過PLC中央控制單元，可以計算出加工過程中產生粉塵量，然后通過調整葉片吸力泵來調整吸力。整個系統精度高，可編程，全程精密可控。通過集成控制，成功的將其他行業的成功經驗借鑒并發展應用，有效了實現了設計初衷和預期結果，作為一種有效手段提高了高速干式切削加工的質量。

2.3 粉塵自動吸附系統工作流程

粉塵自動吸附系統工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

本系統采用了反射型龍卷風除塵系統串聯加濕式除塵系統的雙級系統回收工藝，下面詳細介紹兩套系統組成。

1）龍卷風除塵系統

龍卷風除塵系統學名叫做旋流式除塵系統，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象，而且最終結果顯示，粉塵的分離直徑小于5μm，與一般的旋風除塵系統相比，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形吸塵管進入，然后被送入反射型龍卷風除塵系統的第一次分離室，隨著氣流的旋轉碰撞形成回旋氣流，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，經過二次分離之后，剩余的極細小的粉塵進入濕式除塵系統中。

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

濕式除塵系統學名叫做水霧除塵系統，具體的工作原理如下所述：經過龍卷風除塵系統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中，經分析，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，可以實現很高的粉末清除效率。濕式除塵系統的水可以通過過濾網進行過濾，然后循環使用，最終的的循環廢水經過特殊處理后排放，排放標準復合國家規定。

通過兩個系統的共同作用，整體工作流程問題，工藝流程可靠，可以實現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，研制開發粉塵自動吸附系統，可以顯著提高加工精度和加工效率，降低能量降耗，實現綠色環保，適應當前節能減排的好找，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].硬質合金,2005,(3): 47-50.

[3]鄧定瀛,陳世平.干式切削加工技術的現狀與未來[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].全國生產工程第八屆大會論文集[C].北京: 機械工業出版社,1999: 151-156.