冷风切削技术在磨削中的应用探讨
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一、概况

在汽轮机制造中,90%以上的部套、零件都需要进行金属切削加工,而金属切削加工离不开刀具。一般来说,刀具制造的最后工序为磨削,磨削质量的好坏直接影响到刀具的应用质量、生产效率和寿命。通常情况下,提高磨削质量的主要措施,一是砂轮的合理选取,二是磨削时冷却润滑液的选择。对一般刀具制造而言:平面、内、外圆磨削加工都可使用切削液,但在万能工具磨床(刀具磨床)、铲齿磨床和拉刀磨床精磨刀具时,由于机床结构的原因,就无法使用切削液。此时如为提高加工效率,再选用较大的切削用量,则刀具表面极易出现烧伤、退火、裂纹等缺陷。这些毛病都将直接影响到刀具的精磨质量和使用寿命、效率,并增加制造成本,而此时如采取使用干式(准)冷风切削工艺,就能较好地解决这一难题。

二、冷风切削技术的应用

  1. 冷风切削技术的基本原理
    用低温空气代替切削液,是改善冷却条件的新办法。冷风切削技术是近年来国际较为流行的一种加工方式,主要为防止(切削液等)污染、改善加工环境,提高切削效率、延长刀具使用寿命(特别是解决难加工材料的加工)降低加工成本的高效加工配套技术。所以国际公认它是一种绿色切削技术,欧、美、日、俄等工业发达国家现已在较大范围推广应用。
    冷风切削技术是用-10℃~-50℃左右的低温气体,混合微量无公害油剂(10~20毫升/小时)代替切削液进行润滑、降温和排屑,它是目前国际上广为流行的MQL(微量润滑)切削方法的延伸。
    冷风切削加工系统主要由:压缩空气源、空气粗过滤清洁系统、CTL系列低温冷风射流机(或中央冷风射流机)、高保温管道、微量油雾化器和各型冷风喷嘴等组成。它通过空气粗过滤清洁系统过滤、净化车间压缩空气、再经CTL低温冷风射流机对这些空气进行低温处理,得到干燥而洁净的低温冷风,温度一般在-50℃以下,并可自由调节;微量油雾化系统可按加工需要,生成非常微量的无公害油剂并混入冷风内,对切削点进行微量润滑。工作时,只要打开冷风射流机的电源,按说明书启动设备,让低气流通过高保温管道和微量油雾化器,并将冷风喷嘴置于切削点附近、对准切削点,便可进行冷风切削了。
  2. 冷风切削设备的使用和主要参数的选用
    冷风设备主要有下列部件组成:空气压缩机、低温冷风射流机、微量油雾化器、喷射器、刀具(砂轮)等组成,我们应用的设备由重庆成田低温加工技术有限公司提供,其主要参数为进气压力0.6-0.8MPa,进气温度≤40℃,出气额定流量3.0NM3/min,出气压力≥0.3MPa,出气温度≤-50℃。
    冷风切削技术的使用效果好坏,除和设备本身的性能、质量密切相关外还与正确、合理使用设备和参数选择有关,根据我们近三年对冷风设备的应用,我们认为有下列几点应予以重视和引起注意。
    1. 使用前的准备
      1. 要检查风源质量
        一般来说,工厂使用的压缩空气,风源是由压缩空气总站通过管道输送到各使用车间的,由于常年使用,管内因生锈、气源中混入杂质、油污、积水等常会使管道风口堵塞,导致工作风量和压力显著下降,造成加工点得不到充分的冷却,因此在使用前,必须开机一段时间来检查风源的质量,如发现风源质量不好,则应立即采取疏通管道或增加过滤器等措施处理。
      2. 检查保温管的密封和长度是否合理
        连接冷风机和压缩空气出口处的保温管,是确保能长久低温供气的重要环节,保温管安装好后,要检查确保两端无泄露现象,为了避免管内温度升高和气压的稳定,保温管不宜过长,只要能满足正常工作就行,也不要因进气管卷曲影响供气质量。
      3. 要检查冷风机主要零件的联接质量和设备的排风口前不要有任何屏障
        因设备在发货运输过程中的颠簸和装配中的不慎,常会出现联接件的松动(包括电器和机械零件),所以在开机前必须予以检查,排风口如有屏障,会造成设备排气不畅,从而使设备温度升高,不能长时间的正常工作。


      图一 喷管喷头安装使用示意图
    2. 冷风喷头与安装位置的确定
      在加工过程中,为使砂轮得到良好、充分的冷却,宜用两个喷头同时将冷风喷射在工件和砂轮的表面。喷头安装时应将其分别夹持在经改装过的百分表磁力座上,然后将其固定在机床的床身或刀架上。工作时,让上下两个喷管的喷头同时对准被磨刀具的前后面进行喷射冷却。冷风喷头安装使用示意图可见图一。
    3. 冷风冷却温度的优选
      使用冷风切削设备对冷风温度的优选至关重要,一般来说,冷风温度低一点好,在磨削加工时,如果选用-10℃~-25℃这一段温度区间,则由于冷风在保温输送系统等中间环节的损耗过大,喷出的气体实际温度相对较高,此时,由于磨削点得不到充分的冷却,会影响到冷风切削的最佳效果,但是,如果长时间选取设备最低(-50℃以下)温度区间,则将对制冷系统(低温冷风射流机)的使用寿命造成不良影响,经长时间摸索和探讨实践,我们认为:磨削时优选冷风温度控制在-40℃~-45℃最为合理,这和日本相关资料,把冷风磨削温度控制在-40℃左右为最佳的论述完全一致。


    4. 图二 可移动式有机玻璃防护罩

      图三 纵树型轮槽铣刀正在拉刀磨床上修磨(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

      图四 叶片成型铣刀在铲齿磨床上加工(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
    5. 冷风切削应用时的维护
      刃磨刀具前、后刀面的机床,一般都不使用切削液,所以机床都未配置防护装置,而冷风切削技术在这些机床上使用,磨粒的飞溅会对操作工人的健康产生不利影响,为此,我们在这些机床上配置安装了防护罩,为了便于操作人员观察磨削情况,防护罩根据机床结构用透明有机玻璃板弯曲成型制成,可自由移动,同时还配备了吸尘器(图二)。

三、使用效果分析

将冷风切削技术应用于刀具制造上,一开始,我们在万能工具磨床上试用,选择被加工刀具的原则:一是先选择修磨进口和价格昂贵的高性能高速钢刀具,二是复杂和需要成批制造的专用刀具。考核试用效果的指标则为:加工效率的提高、刀具寿命的延长、加工质量的改善和综合成本的降低等四个方面。经过筛选,决定在磨削上采用冷风切削技术的刀具是我厂常用的关键刀具—纵树型轮槽半精、精铣刀以及加工叶片成组成型铣刀(分别见图三、图四)。经生产验证对比发现:使用冷风技术磨削加工这些刀具,主要获得如下效果:
  1. 刀具加工效率的提高
    在切削速度、走刀速度基本不变的情况下,在加工材料为W2Mo9Cr4VCo8(M42)的轮槽铣刀时,采用冷风切削技术制造的刀具其吃刀深度(背吃刀量)由原来不用冷风切削时ap=0.02-0.03mm,增加到现在(采用冷风切削技术)的ap=0.05-0.06mm,而在加工材料为W6Mo5Cr4V2(M2)的大直径成型铣刀时,吃刀深度由原来干切削的ap=0.03-0.05mm,增加到现在(采用冷风切削技术)的ap=0.05-0.10mm,切削效率平均提高80%以上。
  2. 刀具使用寿命的延长
    由于采用冷风切削技术后,切削力减小,磨削温度显著降低,所以刀面和刀刃基本未出现退火现象,减少了刀刃材料晶格局部相变的可能性,因此,经验证:经采用冷风切削技术刃磨的刀具其加工工件长度和刃磨次数都有较大程度的增加,与传统刃磨方式相比,刀具寿命可延长30%左右。
  3. 加工表面质量的改善
    冷风切削技术在刀具刃磨中的使用,能使刀刃更加锋利,特别在精加工中它可使加工表面粗糙度值降低将近一级(和传统刃磨方法相比),这样就可使涂层质量得到进一步提高,从而使刀具获得更高的耐用度。
初次试用证明,冷风切削技术在万能工具磨床、拉刀磨床和铲齿磨床上刃磨高速钢刀具是成功的,取得的效果也是显著的。冷风切削技术在我厂刀具刃磨工艺中的应用已有两年多时间,由于在效率、寿命和质量方面的提高,因此,它的综合经济效益也是明显的。
冷风切削技术这一新型清洁加工技术在我厂刀具刃磨上的应用受到制造部门和使用部门的广泛欢迎。大家认为,它的确是一种绿色切削和有利于环保的新技术,但应用中我们也发现在设备、工艺和最佳切削用量等的选配方面,还有待进一步完善和改进。
本文作者:哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 魏成双 赵洪信 刘剑
原载:2008年汽轮机金属切削年会论文交流
上载于:2009-6-3 9:12:42

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