高壓斷屑

 

　　在現代機械制造行業中，切削加工是金屬零件最主要的成型方法之一，尤其是制造形狀復雜、成型精度要求嚴、表面質量要求高的金屬零件時，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的參與，切削加工中正確的使用冷卻系統能夠快速的帶走切削熱，保證切削刀具的使用壽命，同時沖走切屑，有效的提高加工效率與表面加工質量。
 

　　
       冷卻技術可大致分為低壓噴灑冷卻和高壓噴射冷卻兩類，其中高壓冷卻技術是目前技術切削行業技術研發的重點方向。
 

　　在20世紀50年代，高壓冷卻技術開始在國外逐漸出現，發展到目前，憑借其對加工效率和刀具壽命等環節的顯著改善而成為金屬切削行業高水平、新技術的代表之一。
 

　　高壓冷卻技術被普遍認為是能夠解決斷屑難題，改善行業加工現狀的關鍵技術而重點關注。
 

　　其他斷屑方法短板
 

　　車削加工是在車床上利用工件相對于刀具旋轉對工件進行切削加工的方法，產生切屑形狀的主要參數取決于車削三要素，即切削速度、進給量和切削深度。
 

　　切削速度主要與主軸的轉速有關，其影響切屑的去除效率，對切屑的截面形狀不產生影響。
 

　　其數值的選定與刀片的材質有關，在給定的切削速度范圍內，改變切削速度對斷屑效果影響極小。
 

　　切削深度和進給量構成了切屑截面的主要尺寸，按傳統的加工經驗，相同工件精加工時要比粗加工更難斷屑，即切屑截面尺寸較大時斷屑效果相對較好。
 

　　但是進給量直接影響了加工后的表面粗糙度，生產中能夠應用的改善斷屑效果的參數只有切削深度，切削深度越大，切屑越容易折斷，但是加大的切削深度也會加大刃口負擔。
 

　　當切屑被刀片從工件上剝離下來時，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、不銹鋼等韌性較強的合金鋼時多會采用負前角的刀片，但即便如此仍然難以達到理想的斷屑效果。
 

　　除此之外，刀片的斷屑槽也對斷屑效果有一定作用。雖然各個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。
 

　　而且，對于斷屑槽刀具，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度，宣傳的優良斷屑效果實際犧牲了刀片壽命。
 

　　高壓冷卻斷屑原理
 

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

　　過去所使用的常規冷卻方式為澆注冷卻或低壓噴灑冷卻，加工時使用水管或噴口把冷卻液大致的對準刀具前端澆淋，依靠相對量大的冷卻液自行流淌到整個切削發生區域。
 

　　但是在這種不夠準確的低壓或無壓冷卻過程中，導致冷卻液不能順利到達刀具，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刀具，受到零件形狀或切屑的影響仍然較大，無法實現預期的冷卻和斷屑效果。
 

　　高壓冷卻技術是指在加工過程中，給冷卻液施加一個極大的噴射壓力，經由特定的內部通道和噴射孔，在刀具附近把冷卻液精準的噴射到切削運動的實際發生點，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，高壓冷卻技術比傳統常規冷卻技術能夠更好的降低切削熱的生成已經是得到認可，關于在冷卻過程中的實際作用機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滑的影響。
 

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

　　高壓冷卻技術的發展與不足
 

　　
       近幾十年，隨著螺桿泵等高壓水泵制造技術的成熟，促使高壓冷卻技術的相關研究得到突飛猛進的發展。
 

　　很多學者也通過切削實驗，驗證了高壓冷卻技術的技術優勢，例如同常規低壓冷卻的加工方式對比，使用更高壓力和流量的高壓冷卻加工過程，刀尖切削區的溫度僅為常規冷卻時的45%左右。
 

　　在硬態切削領域，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境而產生裂紋。
 

　　哈爾濱理工大學實驗室在高壓冷卻條件下進行了PCBN刀具切削鎳基高溫合金試驗，發現隨著切削速度、背吃刀量和進給量的增大，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，斷屑效果進一步提高。
 

　　但是，壓力達到2 MPa 的水泵價格在數千元以上，壓力達到7 MPa 的螺桿泵價格更是超過萬元，更高壓力的冷卻系統包括水泵、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備的價格。
 

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

　　目前多數車床設備的冷卻系統終端是若干個冷卻管，或在刀塔上鉆有幾個冷卻噴孔，雖然可以對準加工區域，但切削液離開噴口后飛射的幾厘米距離就會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，應采用內冷式刀具，即冷卻液接入刀具內部，通過刀具的小孔噴射而出，直接沖擊刀尖切削區。
 

　　高壓冷卻壓力對斷屑性能的切削實驗
 

　　原文作者使用山特維克內冷刀桿(PDJNL2525M15HP)，使用硬質合金涂層刀片，在數控車床，車削加工材質為GCr15、D160X30棒料的外圓，對比低壓和高壓冷卻在斷屑方面的性能，其實驗方案和結果如下表所示
 

　　
       綜合實驗數據，我們可以看到：當冷卻壓力小于5MPa 時，6組切深參數下的斷屑效果均未發生明顯改變。
 

　　當冷卻壓力達到5MPa 時，最大和最小切深參數組先開始出現明顯斷屑效果；當冷卻壓力達到7MPa 時，6 組切深參數下均達到明顯斷屑效果。
 

　　增大冷卻壓力可對加工后的粗糙度帶來明顯改善，達到3MPa 后繼續提升冷卻壓力加工粗糙度不再提升。