方兴未艾的干式/近干式切削加工
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在切削加工中,使用切削液可以起到一些重要作用,如对刀具/工件界面进行有效的润滑与冷却,以及有效地冲走切屑。排屑不畅可能会导致二次切削的后果,它往往会将已切除的工件材料挤压在刚加工出的表面上,而且,在某种程度上,会使切屑碎片熔焊在加工表面上。这可能也会损坏加工表面光洁度。<
图1 JetHP系列刀具是伊斯卡开发的专用HPC刀具(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图2 JetHP刀具用于内径和外径加工非常有效(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图3 ISO TURN立方氮化硼(CBN)刀片(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图4 Cut-Grip切槽刀(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

在切削加工中,使用切削液可以起到一些重要作用,如对刀具/工件界面进行有效的润滑与冷却,以及有效地冲走切屑。排屑不畅可能会导致二次切削的后果,它往往会将已切除的工件材料挤压在刚加工出的表面上,而且,在某种程度上,会使切屑碎片熔焊在加工表面上。这可能也会损坏加工表面光洁度。
但另一方面,润滑液容易产生可能会对人体健康造成严重危害的细菌繁殖并产生异味。还有许多与切削液有关的其他缺点,包括采购、废液处理、维护保养和人工成本。残留在工件上的污渍或污染物也可能是一个问题。
为了达到冲走切屑的目的,在进行孔加工时,需要在钻头与工件材料的接触点上使用润滑剂,以便将切除的工件材料从孔中冲出。缺少润滑液会造成切屑粘附在孔壁上,干式切削的加工表面粗糙度可能平均会比湿式切削高出一倍。对钻头与孔壁之间的接触面进行润滑,可以显著降低钻削扭矩。
在铣削和车削加工中,使热量从切削区传递到切屑中是良好加工性能的一个指标。对切屑流的合理设计能使所产生热量的85%被切屑带离切削区,而其余的热量则流入工件或刀具中。这种发热现象对切削刀具的寿命会产生有害的影响。例如,在铣削加工中,当切削刃切入和切出被加工工件时,其温度会交替上升和下降。这种温度波动会引起了一系列膨胀和收缩,从而导致疲劳应力和热裂纹。而注入润滑液往往会使情况变得更糟。
围绕切削液能否真正到达切屑底部与刀具之间接触区的问题,研发工程师们长期争论不休。如果切削液不能到达该区域,那么它就只能冷却剪切区附近的区域,其冷却效果就相当有限。这种加热/冷却的交替作用只会加大温度梯度和增大热应力。
考虑一下经济性。在20年前,采购、管理和处理润滑液的费用在生产成本中所占的比例还不到3%。相比之下,如今同样这些费用平均要占到生产成本的16%。与这一重要的变化趋势相一致,考虑到刀具费用平均只占生产成本3%这一相对较低的比例,制造商们愿意接受以刀具寿命略为缩短为代价,来换取取消购买和维护润滑液的好处。
因此,为了从节省切削液成本或提高刀具寿命中获益,越来越多的制造商转向采用干式或近干式切削的解决方案。干式切削是指不使用任何切削液的切削加工,而近干式切削——即微量润滑(MQL)切削——是将微量润滑液(从内部或外部)直接应用于切削刃处。近干式切削的特点是润滑液在加工过程中蒸发,使切屑保持干燥。干式或近干式切削的实践已经证明,可以成功地应用更高速的切削条件。

高压冷却技术

高压冷却(HPC)是一种最新加工技术,特别适合特殊材料和不锈钢材料的加工。很高的压力形成了局部高压冷却液流,可以消除蒸汽的形成,并帮助将切屑分断为小碎屑。
高压(70-140巴)冷却液与精确对准切削区相结合,使该技术能够提供传统的浇注式冷却液不具有的优势。冷却液以液态(而不是蒸汽)的形式,在足够高的压力下喷射到切削区。液态冷却液实际上可以对熔融状态的切屑起到淬火作用,将其分断为更小、可控性更好的碎屑,从而实现对切削过程的润滑。此外,由于采用内冷却方式,高压冷却可使整个主轴、刀具、刀片和工件保持更低的温度,从而延长刀具和机床设备的寿命。从这个意义上说,它的作用就像汽车发动机的冷却系统一样。
高压冷却的另一个优点是,将冷却液喷射至二次剪切区附近可以提高高速切削状态下材料的可加工性。无论工件材料是钛、Inconel合金或钢,精确对准切削区的高压冷却液都可以形成更小、更可控的切屑。将冷却液精确对准切削区是成功的关键。该技术采用激光(而不是泛光)对准的方法,来控制冷却液的喷射位置。
JetHP系列刀具(包括Cut-Grip切槽刀、Isoturn和Heliturn车刀和端面车刀、Tang-Grip切断刀和切槽刀、Pentacut切槽刀、凹槽车刀和切断刀)是伊斯卡公司开发的HPC刀具的一个例子。这些刀具在车削加工中(包括在各种零件上加工内径和外径)非常有效。
冷却液的压力最高可达到400巴,但加工中最常用的压力一般为70-100巴。
用当今的HPC车刀进行高速切削时,高压冷却液是切削工艺不可分割的组成部分。除了能防止切削区过热和热冲击以外,高压冷却液还能提供“水刀”切割效应,可以切实提高切削作用。
HPC刀具是为在极高的冷却液压力和切削速度下进行加工而定制设计的,与在冷却液压力较低情况下使用的传统内冷却刀具相比,其加工性能水平更高。
高压冷却系统具有多种加工效益:
  1. 提高生产率——高压冷却可以从工件表面消除切削热和排除切屑,允许采用更高的进给率和主轴转速;

  2. 提高加工质量——更有效的排屑、更高的进给率、更快的主轴转速,以及刀具磨损的减轻反过来提高了工件质量和表面光洁度;
  3. 延长刀具寿命——高压冷却能有效去除热量和切屑,并减小刀具磨损。

基体与涂层


近年来,干式/近干式切削方法已经得到普遍承认,伊斯卡非常支持采用绿色加工技术来增加价值与降低成本。考虑到这一点,切削刀具材料的最新技术,如先进的涂层硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、立方氮化硼(CBN)和聚晶金刚石(PCD)都得到了发展。
即使在很高的切削温度下,整体硬质合金基体的亚微米晶粒结构也能保持切削刃的完整性,同时提供足够的软化效应,以抵抗变形和防止产生月牙洼。在干式切削中产生的切削高温往往会使硬质合金结构发生轻微软化,这样反而提高了它的韧性,有助于防止任何潜在的崩刃,从而延长刀具寿命。
使用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具也是干式切削的一种成功选择。PCBN刀具刃磨技术使其能以钎焊刀尖或整体PCBN刀片的形式应用于车削、镗削和铣削加工。
PCBN的特点是硬度接近金刚石,具有很好的耐磨性、韧性和热硬性。所有这些特性使PCBN成为最适合加工淬硬钢、铸铁和超级合金的刀具材料。
伊斯卡推出的Heliturn IS8陶瓷刀片上有一个成型卷屑台,它结合了采用该陶瓷牌号的Heliturn切向夹紧刀片系统和精密成型卷屑台的优点。使用陶瓷刀片加工时,采用切向夹紧方式非常重要,因为它能消除作用在刀片上的任何挠曲力。

干式切削与冷却液

尽管干式切削和MQL加工方法日益普及,但在加工某些工件材料时,仍然有必要使用切削液。加工铝合金时,为了防止产生积屑瘤,必须采用高压冷却技术。此外,加工高温合金和镍基合金时,也需要使用大量冷却液,以防止工件亚表层发生加工硬化。加工不锈钢时容易出现的断屑不良等缺陷,也可以通过使用冷却液得到解决。伊斯卡为支持干式切削的实施而推出的3P Sumo Tec优质硬质合金牌号适用于钻削、铣削、车削和切槽。由于在刀具基体和CVD、PVD涂层上采用了创新技术,这种新的牌号可以延长刀具和刀片的使用寿命。
这种牌号的PVD涂层采用了伊斯卡的Al-Tec涂层技术,而CVD涂层则是基于其Alpha-Tec涂层技术,加工表明,这两种涂层都能提供出色的耐磨性。通过一种附加工艺,可以在PVD和CVD涂层上面沉积另一种涂层,从而提供一种非常平滑的低应力层,以进一步提高刀具寿命。这种光滑表面有利于切屑的连续流动,减少摩擦和发热。这种新的涂层工艺还能提高刀具的韧性和抗崩刃性,减小摩擦和防止产生积屑瘤,从而在对各种类型工件材料的高速、大进给切削时延长刀具的寿命。
本文作者:周荣(译)
原载:《工具展望》2011年第4期
上载于:2015-7-20 16:16:24

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