高速铣削冷却方式的合理选择
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随着绿色制造技术在切削加工中的应用,在高速铣削加工中采用压缩空气冷却取代切削液冷却已成为一种不错的选择。但是,对于具体的高速铣削加工任务,选用何种冷却方式更为恰当,则应根据不同的加工目的和被加工材料仔细加以权衡,以获得最佳的加工效果。以下是选择冷却方式时需要考虑的四个主要工艺因素。

1 工件材料的硬度

如果工件材料的硬度≥42HRC,选择压缩空气冷却通常可获得更佳的效果。高速铣削高硬度材料的加工特点为:①切削温度很高;②切屑在冷作硬化作用下会变得比母体材料更硬。切削此类材料时,如果采用切削液冷却,可能会使刀具承受间歇性升温-冷却造成的热冲击,温度的剧烈变化容易引起硬质合金切削刃碎裂。反之,如果采用压缩空气冷却,不仅可使刀具温度保持恒定,而且可将切屑吹离切削区,避免因高硬度切屑的二次切削(re-cutting)作用对刀具造成损坏。

2 工件材料的种类

如果工件材料的硬度<42HRC,则应根据工件材料的种类确定选用何种冷却方式。在高速铣削粘性材料(如铝、软性不锈钢等)时,通常需要选用切削液冷却。切削液可对刀具起到润滑作用,且可使切屑易于向上滑出容屑槽并与刀具后角分离。而在高速铣削大多数模具钢(如P20,H13,S7,NAK55,D2等)时,压缩空气冷却可能是正确的选择。如果在加工中发现工件材料与刀具发生粘连现象,则可能提示需要采用切削液;但也可能提示需要选用不同的刀具涂层。

3 刀具涂层

氮碳化钛(TiCN)涂层和氮铝钛(TiAlN)涂层是高速铣削模具钢时最常用的两种刀具涂层。球头铣刀在低于800sfm的切削速度下铣削硬度小于42HRC的工件材料(或圆铣刀在低于600sfm的切削速度下铣削相同材料)时,刀具采用TiCN涂层较为合适。如果被加工材料的硬度或切削速度高于上述切削参数范围,则最好选用TiAlN涂层。
TiCN涂层对切削液冷却具有很好的适应性。虽然切削温度的剧烈变化仍有可能引起硬质合金切削刃碎裂,但在上述切削参数范围内进行加工,一般不会产生足以引起热冲击危险的切削高温。
反之,高温切削性能较好的TiAlN涂层不太适合切削液冷却。这种涂层在进行高温切削时,可在涂层外表面形成一层坚硬而光滑的氧化铝层,有助于提高刀具的切削性能。(事实上,美国Millstar公司开发的“Exalon”TiAlN涂层的高温切削性能更为先进,这种TiAlN涂层的外面又增加了一层固体润滑层,可使切屑更易于沿着刀具切削刃滑离。)
石墨电极工件的铣削加工对刀具涂层的要求一般不太严格,选用TiAlN涂层或金刚石涂层均可。虽然这两种涂层采用压缩空气冷却即可获得很好的切削效果,但许多加工车间仍然愿意使用切削液,这是因为切削液有助于清除加工中产生的粉尘。

4 表面光洁度要求

用球头铣刀进行高速铣削时,为了获得较高的工件表面光洁度,可能需要采用切削液冷却。由于球头铣刀端部的切削速度为零,采用切削液可起到很好的润滑作用。当用典型的球头铣刀进行微进给精铣加工时,位于铣刀端部低速切削区域的工件材料可能会卡在“横刃(web)”内。处于红热状态的残留材料被刀具拖曳着划过工件,并可能熔焊在工件表面,从而破坏工件的表面光洁度。(为解决这一问题,某些具有球形轮廓的机夹刀片式铣刀,如美国Millstar公司的“Super Finisher”刀片,可通过改进刀片的设计消除这种“横刃”。)切削液通过对刀具和工件的润滑作用,可以减小切屑熔焊现象的影响,获得较高的表面光洁度。基于这种考虑,即使在使用TiAlN涂层刀具的加工场合,也应采用切削液冷却方式。虽然刀具寿命可能因此而缩短,但有时为了达到表面光洁度要求,有必要牺牲部分刀具寿命。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2005年第4期
上载于:2007-4-25 8:34:13

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