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人们对当前的机床刀具冷却液输送系统抱有极高的期望,希望它不仅用于金属切削过程的冷却。当我们选择或者被迫使用冷却液时,考虑的重点是其功效以及能否释放潜在生产力。先进的刀具冷却液输送系统必须提供有效的切屑控制,尤其在车削加工应用中更是如此。
众所周知,使用冷却液是为了散热和增加润滑(减少摩擦)。一般情况下,冷却液只简单地浇注到加工区域。为真正发挥冷却液效用,快速带走切削区的热量,精确地将高压冷却液流直接喷向所需的区域更为有效。金属切削过程中的冷却挑战是在加工过程中,冷却液应用与生产率要求间存在交汇点,其中最突出的例子来自航空航天材料,如加工钛合金 Ti6Al-4V。Ti6Al-4V有较低的热传导性和较小的弹性模量,特别适于制造喷气发动机上高强度、耐热且轻质的部件。然而,由于能采用的切削速度通常很低,切屑难以控制,且切削刀具的寿命相对较短,无法折断的长切屑还会导致切屑堵塞、后续的数控刀具失效,因而加工成本极高,最糟糕的是甚至会损坏昂贵的部件。此外,切屑还会影响表面粗糙度,使零件报废。
在金属切削过程中所产生的如同鸟巢般盘根错节的切屑会造成生产率严重下降,使机床几乎不可能在熄灯操作中无看管地运行。当使用刀杆或刀架进行加工时,若传统的冷却液喷嘴不靠近切削刃,那这个缺点就更为明显。
尽管目前高压系统已有显著改善,但多数制造商仍然使用浇注式冷却系统,即将大量冷却液直接浇在切削刀具和所加工零件上以散热。由于灵活的冷却液喷嘴经常移动,导致冷却液不能精确地喷向切削区。另外,此类系统还缺乏适当的压力控制。
由于冷却液只是冲洗切削区,某个区域会因局部加热而形成一道蒸气隔离层,该蒸气层随后会隔离切削区并阻止其散热。高压冷却系统却不同,能迅速散热,且有足够压力阻止这类蒸气隔离层的形成,因此能轻松应对这种情况。
刀具的高压冷却液输送系统间也存在差异,其中一个最常见的差异是系统与切削区的距离,或系统冷却液喷嘴与工件/切削刀具接触面的距离。有些系统喷嘴与切削区的距离太远,因此冷却液无法有效、准确地到达切削区的最佳位置,导致无法获得最大效益;若装有冷却液喷嘴的系统与切削区的距离较远,则必须使用更大的压力以弥补距离的不足。如果系统的冷却液喷嘴离切削区太远,可能需要增加泵的数量,但这样一来成本显然更高,因此选择使喷嘴更靠近切削区的系统。当冷却液流入刀杆然后穿过导流器时,使用山高刀具的 Jetstream Tooling飞流系统,可使冷却液喷嘴非常贴近切削区,在机床标准冷却液泵产生的压力下获得更好的效果,无需使用更多高压泵。
高压直喷冷却液优点
为克服现有冷却液输送系统的缺点,非标刀具冷却液输送系统开发商(如山高)一直致力于优化系统性能,主要通过提高冷却液流喷向切削区的压力和精确度来实现系统优化。有些系统(如山高 Jetstream Tooling飞流刀具系统)非常巧妙地在刀夹的旋转顶部压块(导流器)中放置了冷却通道,冷却液压力、流量和通道的小孔径均可促使猛烈的高速冷却液流轻松穿透,并润滑紧靠切削刃后方的主要发热区域。
具有较大正前角和锋利切削刃的传统刀具可以最大程度地降低钛合金加工产生的不良影响,但必须使用高压冷却液输送系统来控制切屑,并优化整体加工操作。多项大学实验和研究已证实,切屑通过切削刃时会迅速降温,并产生一种硬化作用,类似于对一块金属热工件进行快速淬火操作,从而增加钛合金切屑的硬度。在直喷射流、楔效应、冷却液对切屑的压力以及增加硬度的共同作用下,切屑会断开成为细小、易控的碎片。
总之,若要切削任何富于挑战性的工件材料,使用冷却液能达到更好的效果。高压冷却液输送系统的最佳加工改进方案已运用到当前许多特殊材料应用中,如钛合金、镍基和钴基合金,包括 Nimonic C263、Inconel 718、Udimet 720和Waspaloy,这些材料具有极强的粘性和延展性,因此需要使用高压冷却液输送系统来获得高水平的切屑控制。在刀具的高压冷却液输送系统使用方面,难加工合金并非是唯一显示出成效的材料,在汽车、造船、核能、食品和饮料行业通常需要使用可加工性相当低的粘性长切屑材料。通过采用高压冷却液输送系统,在奥氏体不锈钢、双相不锈钢、低碳钢及铝合金加工过程中均显著提高了金属切除率,使切削参数、切屑控制和表面粗糙度得到改善,减少了生产时间。
由于山高 Jetstream Tooling飞流刀具系统解决了排屑问题,因此无需操作员干预就可实现持续无中断的生产过程,排屑时间不再纳入工序时间的计算。此外,山高系统的冷却液导流器枢轴允许机床操作员快速更换新切削刃,确保冷却液始终处于准确位置。
冷却方式选择
值得注意的是,有些车削加工可能更适合干式切削,而不适用于浇注或高压直喷冷却液。例如,需要进行间歇或断续切削的应用通常会产生热冲击,由于冷却液会进一步扩大热冲击的负面影响,因此干式切削的效果更佳。在这类情况下,高压冷却液解决方案或许可以避免冷却液应用的负面影响。
一般而言,在连续切削应用中使用冷却液的效果更佳。但若涉及环境问题、开放式结构车床或某些类型的钢材,在车削加工中采用干式切削能获得良好的效果。山高的Duratomic CVD双面王镀层刀片具有出色的耐热性能,是这类应用的理想选择。但是,若使用干式切削,难以进行割槽和切断等加工,其主要原因是切屑积聚,所以在这样的加工中,采用冷却液(确切而言是高压直喷冷却液)可显著改善其性能