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干式冷风切削技术在车铣加工中的应用探讨
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摘要:本文研究了采用硬质合金可转位刀具在车、铣加工中应用干式冷风切削技术的情况。试验研究表明,在有效的冷风压力和温度范围内,应用低温冷风空气射流的方法,替代传统切削液,不仅能起到有效的冷却、润滑作用,而且还能显著减少刀具后刀面的磨损,延长刀具使用寿命和提高切削效率,作业环境也大为改善。
关键词:低温冷风切削、干式半干式切削、绿色制造、清洁加工、硬质合金刀具、效率、刀具寿命

一.前言
\当前,国内外金属切削加工行业,围绕提高切削效率、延长刀具使用寿命的研究课题,大致从以下四个方面展开:一是研究刀具材料,二是研究刀具结构,三是研究刀具几何角度和切削用量的合理优选,四是研究刀具表面处理新技术的开发。这四方面的工作,都的确有效地提高了刀具的切削效率和使用寿命,但是,降低刀具切削温升,减小刀具磨损和切削力,同样是切削过程中必须研究和探讨的重要课题。
数控化缩短了机床的调整时间,机床和刀具制造技术的进步,换来了加工效率的迅速提高,也产生出大量的切屑、散发出更大的热量;此时,若仍按传统方法:加大切削剂用量,就会造成的环境的更大伤害。传统切削剂中含有大量硫、磷、氯等物质,这些有害液体的随意排放、粘附在切屑上的露天放置、加工时的飞溅、升腾、长时间的泄漏等都在时时发生;但是,它的最终归宿,将是饮用水源,土地和空气;破坏生态环境,严重影响人类及动植物生长,祸害自己秧及子孙。长期以来,使用切削剂,造成能源的大量消耗、给企业增添的负担,人们早已用生产成本概念“合理”地解释;至于,对操作者身体的直接伤害,为了生产;也无可赖何。
为了解决上述问题,各国政府都加大了切削液污染的监管力度,并相继出台非常严格的切削废液管理、限制及处罚措施。特别是ISO14000环境标准和ISO16000健康标准通告执行以后,企业面对环保的压力更大,使得因切削剂产生的成本在逐年上升。图一为加工中心的成本构成此例,图中可见,油剂己占机床运行成本的15%~30%。为此,研究新的刀具冷却、润滑方式;实施少用或不用切削剂的干式、半干式加工方法就成为改善环境、提高切削效率和刀具使用寿命的又一前沿技术。目前,这种技术已成为数控化后,金属切削加工业面临的主要研究课题。其中:冷风切削技术是半干式切削加工技术中的一种,是MQL(微量润滑)切削技术的延伸,为了迅速推广应用这一技术,最近,结合生产,我们对冷风切削技术在车、铣削加工中的效果进行了生产验证。
二、冷风切削系统
冷风切削加工系统的简单工作原理和设计方案是:让低温冷风射流机生成的低温冷风 (-30℃~-50℃)混入非常微量的植物油,并喷射到切削点,对刀具的前、后刀面实施冷却、润滑和排屑以降低切削温升。该系统主要由:空气压缩机、低温冷风射流机、微量油雾化器、喷射器、刀具等机构组成。图二、为冷风车削加工装置的系统简图。如图所示,由空气压缩机产生的气流,经尘埃分离器清除微离子,再经空气干燥器下降至露点,进入空气冷却装置冷却后,从上下两个方向喷向刀具前、后面的切削点。
三、冷风车削试验
\\

\

图三、使用车刀结构

3.1  冷风内、外冷却车削与油雾车削对比
为了验证在冷风作用下,内、外冷却车刀的切削性能,我们制作了专用的内冷车刀(见图三)。它能通过设于车刀刀体内部的管道,把冷风输送到刀头附近的上、下两个出口,喷向刀片前、后刀面,
 
 

表一、不同冷却方式的切削效果

冷却方式

     

切削行程(刀具寿命)

mm

nr/min

fmm/r

背吃刀量apmm

切削液(喷雾)

5

0.2

1

24

冷风(外冷却)

5

0.2

1

58

冷风(内冷却)

10

0.27

2.5

111


 
并与普通车刀(标准型可转位上压式结构)用两根管道以外冷却方式加工(结构见图二)和传统喷雾冷却切削方式进行了对比。其结果是:同是在后面磨损到0.3mm时,用传统喷雾冷却切削,刀具切削行程仅为24mm(按工件加工宽度测量);使用冷风,从外部上、下两个方向喷向刀片前、后面的刀具切削行程达到58mm,刀具寿命延长了1倍;但是,当使用冷风,用内冷却车刀切削时,在转速、走刀量和背吃刀量都作了相应提高的情况下,刀具切削行程仍高达111mm;充分体现了,在冷风作用下,使用内冷车刀的优势。三种冷却方式的切削效果见表一和图四。
3.2、 试验条件
机床:数控立车
工件材料:规格:高温合金、Φ1200×120
刀    具:油剂喷雾车削和外冷却冷风车削用标准型可转位上压式车刀。
          内冷却冷风车削使用自制内冷车刀。 
刀片型号:CNCMG120408E
切削用量:见表一
冷风条件:CTL-2/50型冷风射流机生成的
          -50℃左右冷风
压缩空气源:车间集中配气管压力0.3~0.4Mpa

油剂切削用油:矿物油
冷风切削用油:植物性低温油(30毫升/时)

四、冷风铣削试验
4..1、 油剂冷却铣削与冷风铣削的对此
为了验证冷风切削技术在生产实践中的应用效果,结合生产,我们进行了大量油剂冷却铣削加工与低温冷风加工工艺的对比试验。试验时发现,车间提供的压缩源气压严重不足,达不到CTL-2/50型冷风射流机的工作压力0.4~0.8Mpa,但仍然进行了加工。结果是:使用大量油剂铣削不锈钢叶片一次换刀,可加工5~8件,而冷风铣削时,在工作压力不足的情况下,还是可加工8~10件,刀具使用寿命明显延长。应该相信,当气源压力得到充分保证的前题下,使用冷风切削,刀具寿命将有更进一步的延长。试验用铣刀与工件形状见图五。
4.2、试验条件
机    床:上海第四机床厂生产数控立铣
工件材料:1Cr13不锈钢、
材料规格:50×100×48(内背弧型面为不等截面)
刀    具:标准型硬质合金可转位球头铣刀
刀片型号:P26315R16、STMT09T308
切削用量:见表三
冷风条件:CTL-2/50型冷风射流机生成的
          -50℃左右冷风
压缩空气源:车间集中配气管 0.1~0.15Mpa
油剂切削用油:矿物油(20升/分左右)
冷风切削用油:植物性低温油(30毫升/时)

 \

图五、试验用铣刀与工件形状

 

表二、油剂铣削与冷风铣削的效果

冷却方式

     

加工件数(刀具寿命)

(件)

转速n

r/min

走刀速度Vfmm/min

背吃刀量

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