干式冷风切削技术在车铣加工中的应用探讨

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  用  量			切削行程(刀具寿命) （mm）
	转 速 n（r/min）	走 刀 量 f（mm/r）	背吃刀量ap（mm）
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	切  削  用  量			加工件数(刀具寿命) （件）
	转速n （r/min）	走刀速度Vf（mm/min）	背吃刀量ap （mm）
油 冷	1800	3000	2.5	5～8
冷 风	1800	3600	2.5	8～10

注：CTL-2/50型冷风射流机额定工作风压为：0.4～0.8Mpa，但试验中实际工作风压仅0.15Mpa左右，。
五、切削效果分析
从上述加工实例，可以认为：在车、铣加工过程中，使用低温冷风的初步应用效果是良好和显著的。特别是，针对难加工材料如：不锈钢和高温合金等的铣削、车削具有实用性。
试验得出的初步结论是：
①在满足冷风射流机基本工作条件下，冷风切削技术比传统混式切削技术的刀具使用寿命长。
②冷风切削时，内冷却方式比外冷却方式的效果好，突出表现在刀具使用寿命的提高方面。
③试验证明，刀具的使用寿命随冷风压力、流量增大而延长。
④在车、铣过程中，考虑到切削点的温度降低，因此，可以适当增大了切削用量；由于刀具使用寿命延长，节省了凋整工位所需的辅助时间，加工效率有显箸的提高。
⑤对精加工高温合金材料的工件表面粗糙度进行了实测，可稳定地达到Ra2.05～Ra2.5μm，
⑥对加工后的不锈钢机叶片进行了磁粉探伤验测，未发现有裂纹等异常现象。
⑦由于以气代油，无呛人的烟雾，环境清洁，对身体无害，有利操作，还提高了效率，操作工人非常欢迎。
六、应用前景及有待进一步探讨的问题
低温冷风切削技术的应用实践证明，它能提高切削效率、延长刀具寿命延长、降低能耗和加工成本。首先，工厂是最大的受益者，其次，由于工作环境的改善、加工效率的提高，带来收入增加，工人也乐于接受，社会意义就更为深远。
综上所述，我们认为：这项技术能够满足用现代工艺技术改造传统设备的要求，应该有广阔的应用前景，但该技术要适应于大切削用量的粗加工，刀具结构（特别是内冷结构）和切削参数等合理选择，还有待进一步实验、探讨。