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干式冷風切削與高效車、銑加工
閱讀：496 發布時間：2022-6-13
本文研究了采用硬質合金可轉位刀具在車、銑加工中應用干式冷風切削技術的情況。試驗研究表明，在有效的冷風壓力和溫度范圍內，應用低溫冷風空氣射流的方法，替代傳統切削液，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，作業環境也大為改善。
關鍵詞：低溫冷風切削、干式半干式切削、綠色制造、清潔加工、硬質合金刀具、效率、刀具壽命。
高效切削現狀
當前，國內外金屬切削加工行業，圍繞提高切削效率、延長刀具使用壽命的研究課題，大致從以下四個方面展開：一是研究刀具材料，二是研究刀具結構，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的采用），四是研究刀具表面處理新技術的開發。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。
數控化縮短了機床的調整時間，機床和刀具制造技術的進步，換來了加工效率的迅速提高，也產生出大量的切屑、散發出更大的熱量；此時，若仍按傳統方法：加大切削劑用量，就會給環境造成更大傷害。傳統切削劑中含有大量硫、磷、氯等物質，這些有害液體的隨意排放，揮發到空氣中，對操作人員的身體健康帶來很大危害。同時，加工時的飛濺、升騰、泄漏等現象時時發生，它將影響到飲用水源、土地和空氣，破壞生態環境。長期以來，使用切削劑，造成能源的大量消耗、給企業增添的負擔，人們早已用生產成本概念予以解釋。
為了解決上述問題，各國政府都加大了切削液污染的監管力度，并相繼出臺非常嚴格的切削廢液管理、限制及處罰措施。特別是ISO14000環境標準和ISO16000健康標準通告執行以后，企業面對環保的壓力更大，使得因切削劑產生的成本在逐年上升。
為此，研究新的刀具冷卻、潤滑方式 ；實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境、提高切削效率和刀具使用壽命的又一前沿技術。
目前，這種技術已成為數控化后，金屬切削加工業面臨的主要研究課題。其中：冷風切削技術是半干式切削加工技術中的一種，是MQL(微量潤滑)切削技術的延伸，為了迅速推廣應用這一技術，最近，結合生產，我們對冷風切削技術在車、銑削加工中的效果進行了生產驗證。
冷風切削系統
冷風切削加工系統的簡單工作原理和設計方案是：讓低溫冷風射流機生成的低溫冷風 （-30℃～-50℃）混入非常微量的植物油，并噴射到切削點，對刀具的前、后刀面實施冷卻、潤滑和排屑以降低切削溫升。該系統主要由：空氣壓縮機、低溫冷風射流機、微量油霧化器、噴射器、刀具等機構組成。
圖一、為冷風車削加工裝置的系統簡圖。如圖所示，由空氣壓縮機產生的氣流，經塵埃分離器清除微離子，再經空氣干燥器下降至露點，進入空氣冷卻裝置冷卻后，從上下兩個方向噴向刀具前、后面的切削點。
冷風銑削試驗
汽輪機葉片型面銑削加工，原來都在普通銑床上進行，采用的高速鋼立銑刀、球頭銑刀在油冷狀態下，切削速度僅為30-40m/min，切削效率很低。后進行技術改造后，加工設備幾乎都更換成數控銑床，為此，絕大部分刀具也選用可高速切削的硬質合金可轉位銑刀，由于高速切削時切削溫度快速提升，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、加工環境，也使操作工人無法進行正常切削加工。如將切削速度減小，則將使切削效率降低，實現不了通過機床、刀具的改進，實現高效切削的初衷。
為此，工廠在每臺機床旁配置了抽煙機，但在高速切削情況下，油煙仍無法很快消除。在銑削加工時，為保證刀具能正常進行高速切削，我們試驗應用了冷風切削技術。
◆ 油劑冷卻銑削與冷風銑削的對比
為了驗證冷風切削技術在生產實踐中的應用效果，結合生產，我們進行了大量油劑冷卻銑削加工與低溫冷風加工工藝的對比試驗。試驗時發現，車間提供的壓縮源氣壓嚴重不足，達不到CTL-2/50型冷風射流機的工作壓力0.4～0.8Mpa，但仍然進行了加工。結果是：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，而冷風銑削時，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。應該相信，當氣源壓力得到充分保證的前題下，使用冷風切削，刀具壽命將有更進一步的延長。試驗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。
◆試驗條件
機床：上海第四機床廠生產的數控立銑
工件材料：1Cr13不銹鋼
材料規格：50×100×48（內背弧型面為不等截面）
刀具：標準型硬質合金可轉位球頭銑刀Ф32
刀片型號：P26315R16、STMT09T308
切削用量：見表一
冷風條件：CTL-2/50型冷風射流機生成的-50℃左右冷風
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)
冷風切削用油：植物性低溫油(30毫升/時)
冷風車削試驗
◆ 冷風內、外冷卻車削與油霧車削對比
為了驗證在冷風作用下，內、外冷卻車刀的切削性能，我們制作了專用的內冷車刀(見圖四)。它能通過設于車刀刀體內部的管道，把冷風輸送到刀頭附近的上、下兩個出口，噴向刀片前、后刀面，并與普通車刀(標準型可轉位上壓式結構)用兩根管道以外冷卻方式加工（結構見圖四）和傳統噴霧冷卻切削方式進行了對比。
其結果是：同樣在后刀面磨損到0.3mm時，用傳統噴霧冷卻切削，刀具切削行程僅為24mm(按工件加工寬度測量) ；使用冷風，從外部上、下兩個方向噴向刀片前、后刀面的刀具切削行程達到58mm，刀具壽命延長了1倍。但是，當使用冷風，用內冷卻車刀切削時，在轉速、走刀量和背吃刀量都作了相應提高的情況下，刀具切削行程可高達111mm。這充分體現了，在冷風作用下，使用內冷車刀的優勢。三種冷卻方式的切削效果見表二，車刀結構簡圖見圖三。
◆ 試驗條件
機床：數控立車
工件材料：規格：高溫合金、Φ1200×120
刀具：油劑噴霧車削和外冷卻冷風車削用標準型可轉位上壓式車刀。內冷卻冷風車削使用自制內冷車刀。
刀片型號：CNCMG120408E
切削用量：見表二
冷風條件：CTL-2/50型冷風射流機生成的-50℃左右冷風
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
冷風切削用油：植物性低溫油(30毫升/時)
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
從上述加工實例，可以認為：在車、銑加工過程中，使用低溫冷風的初步應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、車削具有實用性。
試驗得出的初步結論是：
◆在滿足冷風射流機基本工作條件下，冷風切削技術比傳統油劑（水劑）切削技術的刀具使用壽命長。
◆冷風切削時，內冷卻方式比外冷卻方式的效果好，突出表現在刀具使用壽命的提高方面。
◆試驗證明，刀具的使用壽命隨冷風壓力、流量增大而延長。
◆在車、銑過程中，考慮到切削點的溫度降低，因此，可以適當增大了切削用量；由于刀具使用壽命延長，節省了調整工位所需的輔助時間，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行了實測，可穩定地達到Ra2.05～Ra2.5μm，
◆對加工后的不銹鋼葉片進行了磁粉探傷驗測，未發現有裂紋等異?，F象。
◆由于以氣代油，無嗆人的煙霧，環境清潔，對身體無害，有利操作，還提高了效率，操作工人非常歡迎。
應用前景及有待進一步探討的問題
低溫冷風切削技術的應用實踐證明，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，社會意義就更為深遠。
綜上所述，我們認為 ：這項技術能夠滿足用現代工藝技術改造傳統設備的要求，應該有廣闊的應用前景，但我們試驗應用冷風切削技術的時間尚短，因此結論也是初步的，該技術要適應于大切削用量的粗加工，刀具結構（特別是內冷結構）和切削參數等合理選擇，還有待進一步實驗、探討。