高压断屑

 

　　在现代机械制造行业中，切削加工是金属零件最主要的成型方法之一，尤其是制造形状复杂、成型精度要求严、表面质量要求高的金属零件时，目前使用切削加工仍是最主流的方式。
 

　　而在各种切削加工过程如磨削、铣削、车削中都离不开冷却系统的参与，切削加工中正确的使用冷却系统能够快速的带走切削热，保证切削刀具的使用寿命，同时冲走切屑，有效的提高加工效率与表面加工质量。
 

　　
       冷却技术可大致分为低压喷洒冷却和高压喷射冷却两类，其中高压冷却技术是目前技术切削行业技术研发的重点方向。
 

　　在20世纪50年代，高压冷却技术开始在国外逐渐出现，发展到目前，凭借其对加工效率和刀具寿命等环节的显著改善而成为金属切削行业高水平、新技术的代表之一。
 

　　高压冷却技术被普遍认为是能够解决断屑难题，改善行业加工现状的关键技术而重点关注。
 

　　其他断屑方法短板
 

　　车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法，产生切屑形状的主要参数取决于车削三要素，即切削速度、进给量和切削深度。
 

　　切削速度主要与主轴的转速有关，其影响切屑的去除效率，对切屑的截面形状不产生影响。
 

　　其数值的选定与刀片的材质有关，在给定的切削速度范围内，改变切削速度对断屑效果影响极小。
 

　　切削深度和进给量构成了切屑截面的主要尺寸，按传统的加工经验，相同工件精加工时要比粗加工更难断屑，即切屑截面尺寸较大时断屑效果相对较好。
 

　　但是进给量直接影响了加工后的表面粗糙度，生产中能够应用的改善断屑效果的参数只有切削深度，切削深度越大，切屑越容易折断，但是加大的切削深度也会加大刃口负担。
 

　　当切屑被刀片从工件上剥离下来时，切屑主要与前刀面摩擦，其弯曲角度取决于刀片前角。
 

　　显然，对于没有断屑槽的刀具，刀片前角越小，切屑的弯折程度越大也就越容易折断。
 

　　在加工轴承钢、不锈钢等韧性较强的合金钢时多会采用负前角的刀片，但即便如此仍然难以达到理想的断屑效果。
 

　　除此之外，刀片的断屑槽也对断屑效果有一定作用。虽然各个刀具厂家推出几十甚至上百种不同的槽型，但究其根本均摆脱不了局部改变切屑弯折角度的本质。
 

　　而且，对于断屑槽刀具，加大切屑卷曲半径的手段是加大前角(注意，此处前角作用与无断屑槽刀具相反)，大前角降低了刀具刃口强度，宣传的优良断屑效果实际牺牲了刀片寿命。
 

　　高压冷却断屑原理
 

　　冷却系统的作用机理与上述的加工因素存在不同，车削过程中会产生大量的切削热，大部分切削热会被切屑带走，冷却系统将常温的切削液泼洒在加工区域，通过热传导将切削热带走，快速的降低切屑的温度，使切屑冷硬变脆，从而更易折断。
 

　　过去所使用的常规冷却方式为浇注冷却或低压喷洒冷却，加工时使用水管或喷口把冷却液大致的对准刀具前端浇淋，依靠相对量大的冷却液自行流淌到整个切削发生区域。
 

　　但是在这种不够准确的低压或无压冷却过程中，导致冷却液不能顺利到达刀具，即便是具备较低压力的冷却液喷射方式也只是粗略的瞄准刀具，受到零件形状或切屑的影响仍然较大，无法实现预期的冷却和断屑效果。
 

　　高压冷却技术是指在加工过程中，给冷却液施加一个极大的喷射压力，经由特定的内部通道和喷射孔，在刀具附近把冷却液精准的喷射到切削运动的实际发生点，通过直接大量的冷却液带走切削热并以足够的冲击力折断切屑。
 

　　在切削过程中，高压冷却技术比传统常规冷却技术能够更好的降低切削热的生成已经是得到认可，关于在冷却过程中的实际作用机理也集中在研究刀具与铁屑和刀具与工件之间的摩擦和润滑的影响。
 

　　同时施加冲击力在切屑上增大卷曲程度，从而实现更好的断屑效果。此外还减小了切屑与刀具的接触面积，使切屑对刀具表面涂层的摩擦更小，在相同的加工过程中对刀具的磨损更小，从而提高切削刀片的使用寿命。
 

　　高压冷却技术的发展与不足
 

　　
       近几十年，随着螺杆泵等高压水泵制造技术的成熟，促使高压冷却技术的相关研究得到突飞猛进的发展。
 

　　很多学者也通过切削实验，验证了高压冷却技术的技术优势，例如同常规低压冷却的加工方式对比，使用更高压力和流量的高压冷却加工过程，刀尖切削区的温度仅为常规冷却时的45%左右。
 

　　在硬态切削领域，高压冷却并不像大家想想地那样、使刀片处于骤冷骤热的环境而产生裂纹。
 

　　哈尔滨理工大学实验室在高压冷却条件下进行了PCBN刀具切削镍基高温合金试验，发现随着切削速度、背吃刀量和进给量的增大，切屑的锯齿化步距和锯齿化程度增大；随着冷却液压力的增大,切屑的锯齿化程度降低，锯齿化频率增大；在高压冷却条件下断屑能力得到了提高，并随着压力的增大，断屑效果进一步提高。
 

　　但是，压力达到2 MPa 的水泵价格在数千元以上，压力达到7 MPa 的螺杆泵价格更是超过万元，更高压力的冷却系统包括水泵、管路、控制阀等零件更是需要几十万元一套，甚至超过了整套加工设备的价格。
 

　　因此在最高7 MPa 以下的压力范围内寻找合适的冷却方式才更具备推广意义。
 

　　目前多数车床设备的冷却系统终端是若干个冷却管，或在刀塔上钻有几个冷却喷孔，虽然可以对准加工区域，但切削液离开喷口后飞射的几厘米距离就会造成压力的明显下降。
 

　　为保证冷却压力能够良好的传递到切削区，应采用内冷式刀具，即冷却液接入刀具内部，通过刀具的小孔喷射而出，直接冲击刀尖切削区。
 

　　高压冷却压力对断屑性能的切削实验
 

　　原文作者使用山特维克内冷刀杆(PDJNL2525M15HP)，使用硬质合金涂层刀片，在数控车床，车削加工材质为GCr15、D160X30棒料的外圆，对比低压和高压冷却在断屑方面的性能，其实验方案和结果如下表所示
 

　　
       综合实验数据，我们可以看到：当冷却压力小于5MPa 时，6组切深参数下的断屑效果均未发生明显改变。
 

　　当冷却压力达到5MPa 时，最大和最小切深参数组先开始出现明显断屑效果；当冷却压力达到7MPa 时，6 组切深参数下均达到明显断屑效果。
 

　　增大冷却压力可对加工后的粗糙度带来明显改善，达到3MPa 后继续提升冷却压力加工粗糙度不再提升。