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干式冷風(fēng)切削與高效車、銑加工
閱讀：490 發(fā)布時(shí)間：2022-6-13
本文研究了采用硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具在車、銑加工中應(yīng)用干式冷風(fēng)切削技術(shù)的情況。試驗(yàn)研究表明，在有效的冷風(fēng)壓力和溫度范圍內(nèi)，應(yīng)用低溫冷風(fēng)空氣射流的方法，替代傳統(tǒng)切削液，不僅能起到有效的冷卻、潤滑作用，而且還能顯著減少刀具后刀面的磨損，延長刀具使用壽命和提高切削效率，作業(yè)環(huán)境也大為改善。
關(guān)鍵詞：低溫冷風(fēng)切削、干式半干式切削、綠色制造、清潔加工、硬質(zhì)合金刀具、效率、刀具壽命。
高效切削現(xiàn)狀
當(dāng)前，國內(nèi)外金屬切削加工行業(yè)，圍繞提高切削效率、延長刀具使用壽命的研究課題，大致從以下四個(gè)方面展開：一是研究刀具材料，二是研究刀具結(jié)構(gòu)，三是研究刀具幾何角度和切削用量的合理選擇（特別是高速切削技術(shù)的采用），四是研究刀具表面處理新技術(shù)的開發(fā)。這四方面的工作，都的確能有效地提高刀具的切削效率和使用壽命，但是，降低刀具切削溫升，減小刀具磨損和切削力，同樣是切削過程中必須研究和探討的重要課題。
數(shù)控化縮短了機(jī)床的調(diào)整時(shí)間，機(jī)床和刀具制造技術(shù)的進(jìn)步，換來了加工效率的迅速提高，也產(chǎn)生出大量的切屑、散發(fā)出更大的熱量；此時(shí)，若仍按傳統(tǒng)方法：加大切削劑用量，就會(huì)給環(huán)境造成更大傷害。傳統(tǒng)切削劑中含有大量硫、磷、氯等物質(zhì)，這些有害液體的隨意排放，揮發(fā)到空氣中，對操作人員的身體健康帶來很大危害。同時(shí)，加工時(shí)的飛濺、升騰、泄漏等現(xiàn)象時(shí)時(shí)發(fā)生，它將影響到飲用水源、土地和空氣，破壞生態(tài)環(huán)境。長期以來，使用切削劑，造成能源的大量消耗、給企業(yè)增添的負(fù)擔(dān)，人們早已用生產(chǎn)成本概念予以解釋。
為了解決上述問題，各國政府都加大了切削液污染的監(jiān)管力度，并相繼出臺(tái)非常嚴(yán)格的切削廢液管理、限制及處罰措施。特別是ISO14000環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和ISO16000健康標(biāo)準(zhǔn)通告執(zhí)行以后，企業(yè)面對環(huán)保的壓力更大，使得因切削劑產(chǎn)生的成本在逐年上升。
為此，研究新的刀具冷卻、潤滑方式 ；實(shí)施少用或不用切削劑的干式、半干式加工方法就成為改善環(huán)境、提高切削效率和刀具使用壽命的又一前沿技術(shù)。
目前，這種技術(shù)已成為數(shù)控化后，金屬切削加工業(yè)面臨的主要研究課題。其中：冷風(fēng)切削技術(shù)是半干式切削加工技術(shù)中的一種，是MQL(微量潤滑)切削技術(shù)的延伸，為了迅速推廣應(yīng)用這一技術(shù)，最近，結(jié)合生產(chǎn)，我們對冷風(fēng)切削技術(shù)在車、銑削加工中的效果進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證。
冷風(fēng)切削系統(tǒng)
冷風(fēng)切削加工系統(tǒng)的簡單工作原理和設(shè)計(jì)方案是：讓低溫冷風(fēng)射流機(jī)生成的低溫冷風(fēng) （-30℃～-50℃）混入非常微量的植物油，并噴射到切削點(diǎn)，對刀具的前、后刀面實(shí)施冷卻、潤滑和排屑以降低切削溫升。該系統(tǒng)主要由：空氣壓縮機(jī)、低溫冷風(fēng)射流機(jī)、微量油霧化器、噴射器、刀具等機(jī)構(gòu)組成。
圖一、為冷風(fēng)車削加工裝置的系統(tǒng)簡圖。如圖所示，由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣流，經(jīng)塵埃分離器清除微離子，再經(jīng)空氣干燥器下降至露點(diǎn)，進(jìn)入空氣冷卻裝置冷卻后，從上下兩個(gè)方向噴向刀具前、后面的切削點(diǎn)。
冷風(fēng)銑削試驗(yàn)
汽輪機(jī)葉片型面銑削加工，原來都在普通銑床上進(jìn)行，采用的高速鋼立銑刀、球頭銑刀在油冷狀態(tài)下，切削速度僅為30-40m/min，切削效率很低。后進(jìn)行技術(shù)改造后，加工設(shè)備幾乎都更換成數(shù)控銑床，為此，絕大部分刀具也選用可高速切削的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位銑刀，由于高速切削時(shí)切削溫度快速提升，這就給原來采用的油冷帶來了大量的煙霧。
這些嗆人的煙霧，不但影響了視線、加工環(huán)境，也使操作工人無法進(jìn)行正常切削加工。如將切削速度減小，則將使切削效率降低，實(shí)現(xiàn)不了通過機(jī)床、刀具的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高效切削的初衷。
為此，工廠在每臺(tái)機(jī)床旁配置了抽煙機(jī)，但在高速切削情況下，油煙仍無法很快消除。在銑削加工時(shí)，為保證刀具能正常進(jìn)行高速切削，我們試驗(yàn)應(yīng)用了冷風(fēng)切削技術(shù)。
◆ 油劑冷卻銑削與冷風(fēng)銑削的對比
為了驗(yàn)證冷風(fēng)切削技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用效果，結(jié)合生產(chǎn)，我們進(jìn)行了大量油劑冷卻銑削加工與低溫冷風(fēng)加工工藝的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，車間提供的壓縮源氣壓嚴(yán)重不足，達(dá)不到CTL-2/50型冷風(fēng)射流機(jī)的工作壓力0.4～0.8Mpa，但仍然進(jìn)行了加工。結(jié)果是：在高速切削條件下（切削速度在180m/min），使用大量油劑銑削不銹鋼葉片一次換刀，可加工5～8件，而冷風(fēng)銑削時(shí)，在工作壓力不足的情況下，還是可加工8～10件，刀具使用壽命明顯延長。應(yīng)該相信，當(dāng)氣源壓力得到充分保證的前題下，使用冷風(fēng)切削，刀具壽命將有更進(jìn)一步的延長。試驗(yàn)用銑刀與工件形狀見圖二，不同冷卻方式的切削效果見表一。
◆試驗(yàn)條件
機(jī)床：上海第四機(jī)床廠生產(chǎn)的數(shù)控立銑
工件材料：1Cr13不銹鋼
材料規(guī)格：50×100×48（內(nèi)背弧型面為不等截面）
刀具：標(biāo)準(zhǔn)型硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位球頭銑刀Ф32
刀片型號：P26315R16、STMT09T308
切削用量：見表一
冷風(fēng)條件：CTL-2/50型冷風(fēng)射流機(jī)生成的-50℃左右冷風(fēng)
壓縮空氣源：車間集中配氣管 0.1～0.15Mpa
油劑切削用油：礦物油(20升/分左右)
冷風(fēng)切削用油：植物性低溫油(30毫升/時(shí))
冷風(fēng)車削試驗(yàn)
◆ 冷風(fēng)內(nèi)、外冷卻車削與油霧車削對比
為了驗(yàn)證在冷風(fēng)作用下，內(nèi)、外冷卻車刀的切削性能，我們制作了專用的內(nèi)冷車刀(見圖四)。它能通過設(shè)于車刀刀體內(nèi)部的管道，把冷風(fēng)輸送到刀頭附近的上、下兩個(gè)出口，噴向刀片前、后刀面，并與普通車刀(標(biāo)準(zhǔn)型可轉(zhuǎn)位上壓式結(jié)構(gòu))用兩根管道以外冷卻方式加工（結(jié)構(gòu)見圖四）和傳統(tǒng)噴霧冷卻切削方式進(jìn)行了對比。
其結(jié)果是：同樣在后刀面磨損到0.3mm時(shí)，用傳統(tǒng)噴霧冷卻切削，刀具切削行程僅為24mm(按工件加工寬度測量) ；使用冷風(fēng)，從外部上、下兩個(gè)方向噴向刀片前、后刀面的刀具切削行程達(dá)到58mm，刀具壽命延長了1倍。但是，當(dāng)使用冷風(fēng)，用內(nèi)冷卻車刀切削時(shí)，在轉(zhuǎn)速、走刀量和背吃刀量都作了相應(yīng)提高的情況下，刀具切削行程可高達(dá)111mm。這充分體現(xiàn)了，在冷風(fēng)作用下，使用內(nèi)冷車刀的優(yōu)勢。三種冷卻方式的切削效果見表二，車刀結(jié)構(gòu)簡圖見圖三。
◆ 試驗(yàn)條件
機(jī)床：數(shù)控立車
工件材料：規(guī)格：高溫合金、Φ1200×120
刀具：油劑噴霧車削和外冷卻冷風(fēng)車削用標(biāo)準(zhǔn)型可轉(zhuǎn)位上壓式車刀。內(nèi)冷卻冷風(fēng)車削使用自制內(nèi)冷車刀。
刀片型號：CNCMG120408E
切削用量：見表二
冷風(fēng)條件：CTL-2/50型冷風(fēng)射流機(jī)生成的-50℃左右冷風(fēng)
壓縮空氣源：車間集中配氣管壓力0.3～0.4Mpa
油劑切削用油：礦物油
冷風(fēng)切削用油：植物性低溫油(30毫升/時(shí))
在車削中，采用不同冷卻方式的刀具其壽命可見圖四。
切削效果分析
從上述加工實(shí)例，可以認(rèn)為：在車、銑加工過程中，使用低溫冷風(fēng)的初步應(yīng)用效果是良好和顯著的。特別是，針對難加工材料如：不銹鋼和高溫合金等的銑削、車削具有實(shí)用性。
試驗(yàn)得出的初步結(jié)論是：
◆在滿足冷風(fēng)射流機(jī)基本工作條件下，冷風(fēng)切削技術(shù)比傳統(tǒng)油劑（水劑）切削技術(shù)的刀具使用壽命長。
◆冷風(fēng)切削時(shí)，內(nèi)冷卻方式比外冷卻方式的效果好，突出表現(xiàn)在刀具使用壽命的提高方面。
◆試驗(yàn)證明，刀具的使用壽命隨冷風(fēng)壓力、流量增大而延長。
◆在車、銑過程中，考慮到切削點(diǎn)的溫度降低，因此，可以適當(dāng)增大了切削用量；由于刀具使用壽命延長，節(jié)省了調(diào)整工位所需的輔助時(shí)間，加工效率有顯箸的提高。
◆對精加工高溫合金材料的工件表面粗糙度進(jìn)行了實(shí)測，可穩(wěn)定地達(dá)到Ra2.05～Ra2.5μm，
◆對加工后的不銹鋼葉片進(jìn)行了磁粉探傷驗(yàn)測，未發(fā)現(xiàn)有裂紋等異常現(xiàn)象。
◆由于以氣代油，無嗆人的煙霧，環(huán)境清潔，對身體無害，有利操作，還提高了效率，操作工人非常歡迎。
應(yīng)用前景及有待進(jìn)一步探討的問題
低溫冷風(fēng)切削技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐證明，它能提高切削效率、延長刀具壽命延長、降低能耗和加工成本。首先，工廠是的受益者，其次，由于工作環(huán)境的改善、加工效率的提高，帶來收入增加，工人也樂于接受，社會(huì)意義就更為深遠(yuǎn)。
綜上所述，我們認(rèn)為 ：這項(xiàng)技術(shù)能夠滿足用現(xiàn)代工藝技術(shù)改造傳統(tǒng)設(shè)備的要求，應(yīng)該有廣闊的應(yīng)用前景，但我們試驗(yàn)應(yīng)用冷風(fēng)切削技術(shù)的時(shí)間尚短，因此結(jié)論也是初步的，該技術(shù)要適應(yīng)于大切削用量的粗加工，刀具結(jié)構(gòu)（特別是內(nèi)冷結(jié)構(gòu)）和切削參數(shù)等合理選擇，還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)、探討。