干式冷风切削技术在车、铣高效加工中应用探讨

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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选择(特别是高速切削技术的采用)，四是研究刀具表面处理新技术的开发。这四方面的工作，都的确能有效地提高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，就会给环境造成更大伤害。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，挥发到空气中，对操作人员的身体健康带来很大危害。同时，加工时的飞溅、升腾、泄漏等现象时时发生，它将影响到饮用水源、土地和空气，破坏生态环境。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予以解释。
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图1 加工中心的成本构成比例

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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1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2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。
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1.主管路过滤器 2.冷冻式空气干燥器 3.无热空气干操器 4.灰尘分离器 5.溢流阀 6.压缩机 7.自动排浅 8.冷凝器 9.压缩机 10.车刀 11.气液热交换器 图2 冷风车削加工系统

三、冷风铣削试验

汽轮机叶片型面铣削加工，原来都在普通铣床上进行，采用的高速钢立铣刀、球头铣刀在油冷状态下，切削速度仅为30～4Om/min ，切削效率很低。后进行技术改造后，加工设备几乎都更换成数控铣床，为此，绝大部分刀具也选用可高速切削的硬质合金可转位铣刀，由于高速切削时切削温度快速提升，这就给原来采用的油冷带来了大量的烟雾，这些呛人的烟雾，不但影响了视线、加工环境，也使操作工人无法进行正常切削加工。如将切削速度减小，则将使切削效率降低，实现不了通过机床、刀具的改进，实现高效切削的初衷。为此，工厂在每台机床旁配置了抽烟机，但在高速切削情况下，油烟仍无法很快消除。在铣削加工时，为保证刀具能正常进行高速切削，我们试验应用了冷风切削技术。 : D e, c2 {4 e5 Q6 r

1. 油剂冷却铣削与冷风铣削的对比
   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：在高速切削条件下(切削速度在18Om/min) ，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3，不同冷却方式的切削效果见表1。 - R/ z5 y& c1 i. G+ l, U: M, {/ x7 U y

   , B# W8 p% W6 B; Z" ?: g1 k& }( \2 h7 ]9 _7 a" D, h- g. k 图3 试验用铣刀与工件形状

   3 |: i* E& _, ^% G* I8 J0 G9 O) n2 e3 F" L9 q2 Q: y8 t! ?4 a: Z, U' y# x# ]. x7 i3 d4 F$ V' o- r, d0 s 表1 不同冷却方式的切削效果 冷却 方式 - L v) p/ j+ G1 D3 D4 W+ v$ G5 P 切削用量 9 Q3 U- k+ c" V, F 加工件数 (刀具寿命) (件) ) B2 `$ n$ n" q% m. j5 W9 r, A { 转速n (r/min) 走刀速度Vf (mm/min) ' r$ f' P3 b3 A' B6 t: ~4 _3 X2 `, h# O+ R 背吃刀量ap (mm) 油冷 4 U$ H7 w' f, n! @4 J+ ?6 X$ ?! i 1800 3000 2.5 9 o- I7 E; i u& D9 b7 B& H 5～8 冷风 1800 3600 2.5 6 R: f1 r* A [& b1 }- p 8～10

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2. 试验条件 7 K1 Y& o: U7 t7 s- B. A1 Q
   • 机床：上海第四机床厂生产的数控立铣
   • 工件材料：1Cr13 不锈钢 - r" Z4 p6 i! C3 l. d3 q1 Z
   • 材料规格：50×100×48 (内背弧型面为不等截面) * v, H/ l2 @0 x7 S
   • 刀具：标准型硬质合金可转位球头铣刀f32 ' \ \0 a* T9 f! U8 ^3 t
   • 刀片型号：P26315R16、STMT09T308 4 Z* v/ k( b! v/ W% |/ w6 Y$ z1 r
   • 切削用量：见表1
   • 冷风条件：CTL-2/50型冷风射流机生成的-50℃ 左右冷风 ; l6 n) ~$ N. e; f$ E, d
   • 压缩空气源：车间集中配气管0.1～O.15MPa ) q1 P8 C3 Y$ M
   • 油剂切削用油：矿物油(20升/分左右) , \. L6 v7 C+ f% D1 K. H: A
   • 冷风切削用油：植物性低温油(30毫升/时)

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四、冷风车削试验

1. 冷风内、外冷却车削与油雾车削对比 8 U* f% J: t( l; U* k3 b
   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4)。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，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4)和传统喷雾冷却切削方式进行了对比。其结果是：同样在后刀面磨损到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、后刀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，刀具切削行程可高达111mm ；这充分体现了，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2，车刀结构简图见图4。
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   图4 使用车刀结构

2. 试验条件
   • 机床：数控立车
   • 工件材料：规格：高温合金、f1200×120
   • 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。 ! R, O" Y) v: I2 H+ u/ n1 i0 P
   • 刀片型号：CNMG12O4O8E
   • 切削用量：见表二
   • 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 6 Q# B$ q/ ?. Q- ?" |) |0 A
   • 冷风切削用油：植物性低温油(30毫升/时)
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   0 I) ]1 ~# ~% j; G5 o* d) g2 Z$ B( ^5 _1 X9 Z8 V& V, Z# Y# i4 Q! ?7 p8 G* K6 K$ `2 G, W1 x) n/ |+ |6 W( E4 ^6 f$ G; y' t, p( \5 o4 j/ s 表2 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 ) 3 j6 h. @' T' v! ?- L+ L b 转速n (r/min) 6 F! t5 t( M; C9 x: g' {* I4 } 走刀量f (mm/r) 背吃刀量ap (mm) 切削液(喷雾) 5 8 r. W1 k. p) w/ { ]. }3 O; b 0.2 1 24 冷风(外冷却) 8 \. i& k1 q _. m4 Y; |: w 5 . y1 R; R+ d6 L5 J" [: B2 D 0.2 1 R& P6 R9 \; S, q0 Y) K- v" V$ T 1 58 冷风(内冷却) 10 0.27 : }& |0 @) v0 |4 H' ` 2.5 6 p( X3 K1 p$ i# B 111

   图5 不同冷却方式的刀具寿命图

   在车削中，采用不同冷却方式的刀具其寿命可见图5。

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五、切削效果分析

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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。 $ x1 Z, t8 ~; q5 T

试验得出的初步结论是：

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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油剂(水剂)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，节省了调整工位所需的辅助时间，加工效率有显著的提高。 f3 {! `+ D+ ]# ^$ ~! y' V
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. 对加工后的不锈钢叶片进行了磁粉探伤验测，未发现有裂纹等异常现象。 5 a" `) `$ l D& |' X0 ^0 W
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

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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，但我们试验应用冷风切削技术的时间尚短，因此结论也是初步的，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。

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