高壓斷屑

 

　　在現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)中，切削加工是金屬零件最主要的成型方法之一，尤其是制造形狀復(fù)雜、成型精度要求嚴(yán)、表面質(zhì)量要求高的金屬零件時(shí)，目前使用切削加工仍是最主流的方式。
 

　　而在各種切削加工過程如磨削、銑削、車削中都離不開冷卻系統(tǒng)的參與，切削加工中正確的使用冷卻系統(tǒng)能夠快速的帶走切削熱，保證切削刀具的使用壽命，同時(shí)沖走切屑，有效的提高加工效率與表面加工質(zhì)量。
 

　　
       冷卻技術(shù)可大致分為低壓噴灑冷卻和高壓噴射冷卻兩類，其中高壓冷卻技術(shù)是目前技術(shù)切削行業(yè)技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。
 

　　在20世紀(jì)50年代，高壓冷卻技術(shù)開始在國(guó)外逐漸出現(xiàn)，發(fā)展到目前，憑借其對(duì)加工效率和刀具壽命等環(huán)節(jié)的顯著改善而成為金屬切削行業(yè)高水平、新技術(shù)的代表之一。
 

　　高壓冷卻技術(shù)被普遍認(rèn)為是能夠解決斷屑難題，改善行業(yè)加工現(xiàn)狀的關(guān)鍵技術(shù)而重點(diǎn)關(guān)注。
 

　　其他斷屑方法短板
 

　　車削加工是在車床上利用工件相對(duì)于刀具旋轉(zhuǎn)對(duì)工件進(jìn)行切削加工的方法，產(chǎn)生切屑形狀的主要參數(shù)取決于車削三要素，即切削速度、進(jìn)給量和切削深度。
 

　　切削速度主要與主軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)，其影響切屑的去除效率，對(duì)切屑的截面形狀不產(chǎn)生影響。
 

　　其數(shù)值的選定與刀片的材質(zhì)有關(guān)，在給定的切削速度范圍內(nèi)，改變切削速度對(duì)斷屑效果影響極小。
 

　　切削深度和進(jìn)給量構(gòu)成了切屑截面的主要尺寸，按傳統(tǒng)的加工經(jīng)驗(yàn)，相同工件精加工時(shí)要比粗加工更難斷屑，即切屑截面尺寸較大時(shí)斷屑效果相對(duì)較好。
 

　　但是進(jìn)給量直接影響了加工后的表面粗糙度，生產(chǎn)中能夠應(yīng)用的改善斷屑效果的參數(shù)只有切削深度，切削深度越大，切屑越容易折斷，但是加大的切削深度也會(huì)加大刃口負(fù)擔(dān)。
 

　　當(dāng)切屑被刀片從工件上剝離下來時(shí)，切屑主要與前刀面摩擦，其彎曲角度取決于刀片前角。
 

　　顯然，對(duì)于沒有斷屑槽的刀具，刀片前角越小，切屑的彎折程度越大也就越容易折斷。
 

　　在加工軸承鋼、不銹鋼等韌性較強(qiáng)的合金鋼時(shí)多會(huì)采用負(fù)前角的刀片，但即便如此仍然難以達(dá)到理想的斷屑效果。
 

　　除此之外，刀片的斷屑槽也對(duì)斷屑效果有一定作用。雖然各個(gè)刀具廠家推出幾十甚至上百種不同的槽型，但究其根本均擺脫不了局部改變切屑彎折角度的本質(zhì)。
 

　　而且，對(duì)于斷屑槽刀具，加大切屑卷曲半徑的手段是加大前角(注意，此處前角作用與無斷屑槽刀具相反)，大前角降低了刀具刃口強(qiáng)度，宣傳的優(yōu)良斷屑效果實(shí)際犧牲了刀片壽命。
 

　　高壓冷卻斷屑原理
 

　　冷卻系統(tǒng)的作用機(jī)理與上述的加工因素存在不同，車削過程中會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，大部分切削熱會(huì)被切屑帶走，冷卻系統(tǒng)將常溫的切削液潑灑在加工區(qū)域，通過熱傳導(dǎo)將切削熱帶走，快速的降低切屑的溫度，使切屑冷硬變脆，從而更易折斷。
 

　　過去所使用的常規(guī)冷卻方式為澆注冷卻或低壓噴灑冷卻，加工時(shí)使用水管或噴口把冷卻液大致的對(duì)準(zhǔn)刀具前端澆淋，依靠相對(duì)量大的冷卻液自行流淌到整個(gè)切削發(fā)生區(qū)域。
 

　　但是在這種不夠準(zhǔn)確的低壓或無壓冷卻過程中，導(dǎo)致冷卻液不能順利到達(dá)刀具，即便是具備較低壓力的冷卻液噴射方式也只是粗略的瞄準(zhǔn)刀具，受到零件形狀或切屑的影響仍然較大，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的冷卻和斷屑效果。
 

　　高壓冷卻技術(shù)是指在加工過程中，給冷卻液施加一個(gè)極大的噴射壓力，經(jīng)由特定的內(nèi)部通道和噴射孔，在刀具附近把冷卻液精準(zhǔn)的噴射到切削運(yùn)動(dòng)的實(shí)際發(fā)生點(diǎn)，通過直接大量的冷卻液帶走切削熱并以足夠的沖擊力折斷切屑。
 

　　在切削過程中，高壓冷卻技術(shù)比傳統(tǒng)常規(guī)冷卻技術(shù)能夠更好的降低切削熱的生成已經(jīng)是得到認(rèn)可，關(guān)于在冷卻過程中的實(shí)際作用機(jī)理也集中在研究刀具與鐵屑和刀具與工件之間的摩擦和潤(rùn)滑的影響。
 

　　同時(shí)施加沖擊力在切屑上增大卷曲程度，從而實(shí)現(xiàn)更好的斷屑效果。此外還減小了切屑與刀具的接觸面積，使切屑對(duì)刀具表面涂層的摩擦更小，在相同的加工過程中對(duì)刀具的磨損更小，從而提高切削刀片的使用壽命。
 

　　高壓冷卻技術(shù)的發(fā)展與不足
 

　　
       近幾十年，隨著螺桿泵等高壓水泵制造技術(shù)的成熟，促使高壓冷卻技術(shù)的相關(guān)研究得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
 

　　很多學(xué)者也通過切削實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了高壓冷卻技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，例如同常規(guī)低壓冷卻的加工方式對(duì)比，使用更高壓力和流量的高壓冷卻加工過程，刀尖切削區(qū)的溫度僅為常規(guī)冷卻時(shí)的45%左右。
 

　　在硬態(tài)切削領(lǐng)域，高壓冷卻并不像大家想想地那樣、使刀片處于驟冷驟熱的環(huán)境而產(chǎn)生裂紋。
 

　　哈爾濱理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室在高壓冷卻條件下進(jìn)行了PCBN刀具切削鎳基高溫合金試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量的增大，切屑的鋸齒化步距和鋸齒化程度增大；隨著冷卻液壓力的增大,切屑的鋸齒化程度降低，鋸齒化頻率增大；在高壓冷卻條件下斷屑能力得到了提高，并隨著壓力的增大，斷屑效果進(jìn)一步提高。
 

　　但是，壓力達(dá)到2 MPa 的水泵價(jià)格在數(shù)千元以上，壓力達(dá)到7 MPa 的螺桿泵價(jià)格更是超過萬元，更高壓力的冷卻系統(tǒng)包括水泵、管路、控制閥等零件更是需要幾十萬元一套，甚至超過了整套加工設(shè)備的價(jià)格。
 

　　因此在最高7 MPa 以下的壓力范圍內(nèi)尋找合適的冷卻方式才更具備推廣意義。
 

　　目前多數(shù)車床設(shè)備的冷卻系統(tǒng)終端是若干個(gè)冷卻管，或在刀塔上鉆有幾個(gè)冷卻噴孔，雖然可以對(duì)準(zhǔn)加工區(qū)域，但切削液離開噴口后飛射的幾厘米距離就會(huì)造成壓力的明顯下降。
 

　　為保證冷卻壓力能夠良好的傳遞到切削區(qū)，應(yīng)采用內(nèi)冷式刀具，即冷卻液接入刀具內(nèi)部，通過刀具的小孔噴射而出，直接沖擊刀尖切削區(qū)。
 

　　高壓冷卻壓力對(duì)斷屑性能的切削實(shí)驗(yàn)
 

　　原文作者使用山特維克內(nèi)冷刀桿(PDJNL2525M15HP)，使用硬質(zhì)合金涂層刀片，在數(shù)控車床，車削加工材質(zhì)為GCr15、D160X30棒料的外圓，對(duì)比低壓和高壓冷卻在斷屑方面的性能，其實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果如下表所示
 

　　
       綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以看到：當(dāng)冷卻壓力小于5MPa 時(shí)，6組切深參數(shù)下的斷屑效果均未發(fā)生明顯改變。
 

　　當(dāng)冷卻壓力達(dá)到5MPa 時(shí)，最大和最小切深參數(shù)組先開始出現(xiàn)明顯斷屑效果；當(dāng)冷卻壓力達(dá)到7MPa 時(shí)，6 組切深參數(shù)下均達(dá)到明顯斷屑效果。
 

　　增大冷卻壓力可對(duì)加工后的粗糙度帶來明顯改善，達(dá)到3MPa 后繼續(xù)提升冷卻壓力加工粗糙度不再提升。